УДК 620.179.16
ОТБОР ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
П. А. Сенюткин, Е. Ф. Чинейкина
Предложен простой способ отбора пьезоэлементов (ПЭ), применяемых при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) для установок у. з. контроля. Способ позволяет эффективно и быстро оценить качество ПЭ различных диаметров в широком диапазоне частот. Оценка ПЭ производится по двум характеристикам: частоте антирезонанса /а и напряжению £Уа на частоте антирезонанса на ПЭ. Приведены экспериментальные результаты измерений/а и Иг для ПЭ, изготовленных различными отечественными и зарубежными предприятиями.
Классический способ измерения характеристик пьезокерамических материалов предполагает использование образца пьезокерамических материалов определенных размеров и пассивного четырехполюсника с регулируемыми элементами [1]. Этот способ измерения с некоторыми усложнениями был утвержден также в ГОСТ 12370—80 [2]. В работе [3] представлен способ автоматизированного измерения и расчета электрических и механических характеристик пьезокерамических элементов, основанный на использовании того же пассивного четырехполюсника с регулируемыми элементами. Недостатком всех перечисленных способов является необходимость подбора номиналов резисторов, входящих в пассивный четырехполюсник, для конкретного ПЭ. Кроме того, наличие дополнительных измерительных приборов [1,2] или сложных автоматизированных комплексов [3] во многих случаях экономически нецелесообразно.
Изготовители ПЭП используют, как правило, пьезокерамические материалы определенных марок (ЦТС, ТС, PZT, метаниобат свинца и т. д.) и определенных форм (диск, прямоугольник). Характеристики этих пьезокерамических материалов хорошо известны, и не требуют входного контроля. Однако учитывая, что ПЭ является основным элементом ПЭП и определяет его такие важные характеристики, как чувствительность и частота, измерение характеристик/а; £/а и оценка качества ПЭ как законченного изделия с определенными размерами и формой необходимы.
в
Х\
/?3
-1__1-Ч --< ►—!__|—<
И2 Г 1 1 2
1 51
Х2 1_
хз
□ Вй
I
к
Схема измерения характеристик ПЭ:
С — генератор сигналов; V — вольтметр; — измеряемый ПЭ; Х\, Х2, ХЗ — разъемы; Й1 = 45 Ом; К2 = 5 Ом; «3 = 300 Ом; 51 — переключатель.
Для оценки качества ПЭ предлагается схема пассивного четырехполюсника с нерегулируемыми элементами, представленная на рисунке. Величины сопротивлений резисторов указаны в омах. Номиналы резис-
Отбор пьезоэлементов..
37
торов подобраны таким образом, чтобы обеспечить согласование с генератором и заметное изменение напряжения на ПЭ в зависимости от частоты генератора в районе антирезонансной частоты /а.
Переключатель 51 переключают в положение 1. Генератор (Г4-102 или аналогичный ему) настраивают примерно на частоту антирезонанса /а ПЭ. Уровень напряжения генератора иг устанавливают по вольтметру (ВЗ-48А или аналогичный ему) таким, чтобы среднее значение напряжения при разрыве разъема ХЗ (режим холостого хода) и при его замыкании (режим короткого замыкания) было равно 50 мВ. В этих случаях сопротивление нагрузки (ПЭ) меняется от 0 до оо, напряжение иг остается практически постоянной величиной в некотором диапазоне частот около /а. К разъему ХЗ подключают В() (измеряемый ПЭ), переключатель 51 переключают в положение 2. Плавно изменяя частоту генератора С в районе частоты антирезонанса/3 ПЭ, находят максимальное значение напряжения на ПЭ. При максимальном значении напряжения £/а фиксируют значение антирезонансной частоты /а.
Значение /„ и U.d для различных ПЭ
№ п. п. Диаметр ПЭ мм L МГц U„ мВ Выход, % Марка материала Изготовитель
1 2 3 4 5 6 7 8 5-0.05 8-0,05 Ю-0,05 12-0,05 5-0,05 8-0,05 10ц» 12-0, 5,05+0,15 4,9±0,1 4,9±0,1 4,85±0,15 2,6+0,1 2,50+0,05 2,50+0,05 2,45+0,05 38±3 26+4 20±5 17±3 46±1 42+3 37±3 32±4 80 75 80 85 80 85 80 80 ЦТС-19 Завод "Аврора" Волгоград
9 10 11 5-0,4 8-0,4 12-0.5 5,7±0,2 5,8±0,2 5,8+0,2 32±4 26+3 19+1 80 80 90 ЦТС-19 НКТБ "Пьезоприбор"
12 13 14 6-0,3 6-0,4 12-0.5 22,8+1,2 36±2 11,5±0,5 30+8 16±6 29±9 70 70 70 ТС-1 Ростов-на-Дону
15 6-0,05 22,5±1,0 7+1 88 К-81 (мета- ниобат свинца) Keramos, U.S.A.
16 8-0,05 5,2±0,2 20±2 88 PZT Sonox® Rosenthal Technik AG, Germany
17 •5+0.5 J-0,5 31+1 22±8 62 АРС-810 (метанио-бат свинца) APC International Ltd U.S.A.
Отбор ПЭ производился следующим образом: из вновь поступившей партии или выборки для каждого ПЭ измерялась/а и £/а. Определялись средние значения/а и из и стандартные отклонения от средних значений. Средние значения /а и £/а с учетом стандартных отклонений помещены в графах 3 и 4 таблицы. По этим значениям с учетом стандартных отклонений отбирались ПЭ из всей поступившей партии. Процент выхода годного по результатам отбора указан в графе 5 таблицы.
Анализ данных таблицы позволяет оценить стабильность и качество технологии изготовления ПЭ различных производителей. Стабильность значений /а и £/а определяет стабильность чувствительности и частоты
38
П. А. Сенюткин, Е. Ф. Чинейкина
готового ПЭП. Фактически рабочая частота ПЭП не будет соответствовать /а [4,5], но для большинства определенных конструкций ПЭП это не имеет существенного значения. Чувствительность ПЭП при прочих равных условиях пропорциональна величине Ua, определяемой модулем полного электрического сопротивления на частоте/а [6]. При изготовлении партии однотипных ПЭП желательно, чтобы разброс Ua не превышал ±20 % от среднего значения для партии ПЭ. В этом случае разброс ПЭП по чувствительности не превышает ±2 дБ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Описанный способ успешно используется на предприятии в течение многих лет при изготовлении различных типов ПЭП для ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии. Отбор ПЭ диаметром от 3 до 12 мм в диапазоне частот от 2 до 40 МГц обеспечивается с помощью простых, доступных приборов и пассивного четырехполюсника с нерегулируемыми элементами.
В целях обеспечения хорошей воспроизводимости по чувствительности и частоте готовых ПЭП, рекомендуется проводить отбор ПЭ с отклонениями от средних значений по/а = ±5 % и по f/a = ±20 %.
ОАО "Чепецкий механический завод" Поступила в редакцию
26 сентября 2002 г.
ЛИТЕРАТУРА
1.Смажевская Е. Г., Фельдман Н. Б. Пьезоэлектрическая керамика.— М.: Сов. радио, 1971.— 199 с.
2. ГОСТ 12370—80. Материалы пьезокерамические. Методы испытаний.— М.: Изд,-во стандартов, 1980.— 30 с.
3.Виноградов Д. А., Наседкин А. В., Паринов И. А., Рожков Е. В. Определение электрических и механических характеристик пьезокерамических элементов.— Дефектоскопия, 2002, № 2, с. 18—25.
4. Несмашный Е. В., Розанов M. М., Яблоник Л. M. Измерение электроакустических параметров пьезопластин, применяемых в ультразвуковой дефектоскопии.— Дефектоскопия, 1973, № 3, с. 64—70.
5.Королев М. В., Карпельсон А. Е., Шевалдыкин Е. Г.О физическом представлении работы резонансных преобразователей. Труды НИКИМПа. Неразру-шающий контроль, виброметрия, диагностика, 1983, с. 17—27.
6. Hall К. G. Performance and quality control of ultrasonic probes. The British Journal of nondestructive testing, March 1983, v. 25, N 2, p. 61—66.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.