531.768: 534.1
Метод диагностики акустического датчика
М. С. СЛОБОДЯН, С. А. ШИШИГИН, С. М. СЛОБОДЯН
Инновационный центр «Тест», e-mail: sms_46@ngs.ru
Теоретически определена зависимость шума электрически возбужденных затухающих колебаний пьезоэлектрического датчика от его неисправностей. Предложен метод шумовой диагностики акустического пье-зодатчика для контроля параметров плазменного очага оптического пробоя воздуха.
Ключевые слова: пьезодатчик, сигнал — шум, форма колебаний.
Theoretical dependence of noise of electrically excited damped oscillations of a piezosensor upon its malfunction is established. A technique for noise diagnostics of an acoustic piezosensor to control plasma characteristics of optical air breakdown is proposed.
Key words: piezosensor, signal-noise, oscillation form.
Для получения достоверной информации о ходе технологического процесса применяются датчики, выполняющие роль первичных преобразователей одной физической величины в другую, более удобную для дальнейшего преобразования.
При всем многообразии физических принципов работы и выполняемых функций широкое распространение получили датчики на пьезоэлектрических элементах [1—8]. Пьезодатчики обладают высокой устойчивостью работы в условиях воздействия радиации, потока электронов и агрессивных сред. Эти факторы являются определяющими для диагностики параметров процесса возникновения плазменных образований при электромагнитном воздействии на среды. Более того, уникальные обратимые свойства пьезо-элементов (прямой и обратный пьезоэффект) позволяют использовать их в качестве вторичных преобразователей информации в измерительных устройствах [4—6] для управления волновым фронтом лазерного излучения.
Вполне естественно, что в процессе изготовления этих датчиков вопросы идентификации характеристик, диагностики вида и характера неисправности являются приоритетными. Дефекты пьезоэлементов в общем случае возникают случайно и чаще всего распределены равновероятно. Их проявление целесообразно оценивать через статистические параметры, в частности, по изменению мощности (дисперсии) помех, вносимых в сигнал датчика как искажение его отклика на тестовое воздействие. В статье приведена эквивалентная схема и дан анализ влияния дефектов на сигнал пьезодатчика, регистрирующего параметры акустической волны при оптическом пробое воздуха. Состояние акустического датчика контролируется при возбуждении резонансного отклика с последующей оценкой дисперсии шума (помех), искажающего форму возбужденных колебаний, как признака характерной неисправности датчика [7]. Это необходимо для повышения точности измерений динамики изменения параметров зоны повышенного давления (оболочки очага пробоя), которая возникает в условиях воздействия потока электронов и других видов нетеплового излучения, сопровождающих образование плазменного очага оптического пробоя и его последующее расширение [9]. Другими
словами, измеряется степень «зашумленности» переходной характеристики акустического пьезодатчика.
В схеме датчика предварительный усилитель сигнала пьезоэлемента выполнен на полевом транзисторе, что на практике часто используется [8]. Тогда эквивалентная схема пьезодатчика (рисунок) будет содержать параллельно соединенные генератор заряда Оп и эквивалентную емкость Сп пьезопреобразователя; общее резистивное сопротивление R входной цепи усилителя; эквивалентные источники тока и напряжения шумов /ш, еш, входную (затвор-исток) и проходную (затвор-сток) емкости Сзи, Сзс полевого транзистора. На рисунке также обозначены: и — напряжение сигнала, S — крутизна проходной характеристики и R¡ — выходное сопротивление транзистора.
Эквивалентный шумовой ток, приведенный ко входу усилителя, в элементарной полосе df можно найти из выражения [10]:
di.
ш.ус
4кТ R
df + 2ql3df + 4кТгш\ 1 +
Ь
фш
1+m2R2cf R2
df =
АкТ R
l3R
1 +jfc+R h + ^F |(1 + Ю252 d
df,
(1)
где к, д, Т — постоянная Больцмана, заряд электрона и абсолютная температура; фт = кТ/д — равновесный потенциал; /з, гш ~ 0,7^, fфш — соответственно ток затвора, сопротивление шума и частота, на которой спектральные составляю-
Эквивалентная схема входной цепи пьезодатчика: З, И, С — контакты затвора, истока и стока полевого транзистора
щие тепловых шумов канала и фликкер-шумов полевого транзистора равны; <в = 2жf— круговая и f — текущая частота; С- = С + С... + С,„ — емкость входной цепи.
! м зи зс
Отметим, что усилитель заряда повышает помехоустойчивость передачи сигнала от датчика к измерительной системе [11]. Поэтому ниже за эквивалентную емкость входной цепи принята емкость пьезодатчика См. При креплении пье-зоэлемента защемлением процесс его упругой деформации схемотехнически можно представить включением емкости См через паразитные емкости контактного монтажа. Именно эти паразитные емкости, в конечном счете, определяют динамику изменения резонансного отклика датчика на тестовое воздействие. Если пренебречь их влиянием, то амплитудно-частотную характеристику пьезоэлемента можно описать аналитическим выражением, полученным в [4, 6], которое соответствует экспериментальным данным.
Механизм изменения емкости и ее случайные вариации в эквивалентной схеме (как эквивалент помехи — акустического шума) можно объяснить следующим образом. При колебаниях («дребезге») пьезоэлемента в области защемления образуется емкостная последовательная цепь контакт «+» — пьезоэлемент — контакт «-». Паразитные емкости контакта сигнальных пластин стока зарядов пьезоэлемента из-за вариаций усилий прижима, обусловленных деформацией пьезоэлемента (распределенной системы), являются величинами случайными, равновероятно распределенными в интервале значений 0 — В первом приближении нулевое значение соответствует пренебрежимо малому влиянию паразитных емкостей (хороший контакт) и «бесконечность» — отсутствию контакта (разрыв цепи передачи зарядов). Характерные изменения резонансного отклика для этих случаев показаны в [7]. Их вид связан с шумом, сопровождающим резонансный отклик, либо, как исключение, — с разрывом цепи. В последнем случае емкость датчика столь велика, что резонансный отклик в результате усреднения интегратором с большой постоянной времени становится интегральной оценкой — математическим ожиданием, которое для почти периодической функции отклика очень мало (слабо заметно).
Умножив (1) на квадрат модуля статического импеданса, найдем приведенное ко входу усилителя значение квадрата напряжения шумов, причем форма повторится на выходе усилителя, если будет скорректировано влияние обратной связи через емкость С (эффект Миллера):
= с^ус
5
частоты, найдем оптимальное отношение сигнал выходе усилителя напряжения:
шум на
4 == 0п ЫкТ
2фт
Ш!
1 +
^фш |п 1
Д1
1—1/2
Д >
1+ю2 с! 5'
(2)
Отношение сигнал — шум тем больше, чем меньше параметры входной цепи /з, гш, С! и fфш.
Из изложенного можно сделать следующие выводы.
Сущность предложенного метода диагностики пьезодатчика по форме затухающих резонансных колебаний — отклику на тестовое воздействие — может быть отражена приведенной эквивалентной схемой, объединяющей пьезоэле-мент с усилителем заряда, в которой функциональное влияние дефектов на характеристики резонансного отклика датчика представлено изменением его емкости. Непостоянство усилий прижима пьезоэлемента проявляется в возникновении стохастической составляющей сигнала, резко изменяющей свойства отклика пьезоэлемента.
Для решения многофункциональной и неоднозначной задачи диагностики состояния пьезодатчика (класс распределенной системы) по форме электрически возбужденных затухающих резонансных колебаний требуется набор экспериментальных статистических данных для выделения закономерности влияния превалирующих дефектов на характеристику прибора в целом. При этом заслуживают внимание результаты работы [7].
Для применения пьезодатчиков в физическом эксперименте, очевидно, необходимо разработать методы диагностики, основанные на эквивалентности дефектов некоторым физическим элементам, воздействующим на тестовый сигнал как помехи, изменяющие форму отклика. Принципиальной является количественная оценка взаимосвязи с выходными характеристиками датчика. Этот фактор важен для использования пьезодатчика в качестве приемника акустической волны при диагностике параметров неравновесных явлений в физическом эксперименте импульсного инициирования плазменных очагов оптического пробоя воздуха [9].
Таким образом, предложен эффективный метод диагностики датчика по изменению эквивалентной мощности помех (шума) в тестовом электрически возбужденном резонансном отклике. Рассмотрено решение задачи оценки эффективности «шумовой» диагностики по параметрам сигнала пьезодатчика — приемника акустического воздействия.
Из (1), (2) следует, что не все составляющие напряжения шума растут так же, как полезный сигнал, т. е. пропорционально увеличению модуля импеданса. Поэтому всегда выбирают сопротивление R как можно большее. Из (1) нетрудно получить предельное значение квадрата шумового напряжения в рассматриваемой точке при неограниченном увеличении R:
=
Щ- df+4 *7гш[1+^ < С!
С.
При известном заряде Ом интегрированием в выбранной
полосе частот Дf :
где ^
верхняя и нижняя
Л и т е р а т у р а
1. Шарапов В. М., Мусиенко М. П., Шарапова Е. В. Пьезоэлектрические датчики. — М.: Техносфера, 2006.
2. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. — М.: Энергия, 1978.
3. Дунаевский В. П. и др. // Приборы и системы управления. —1993. — № 9. — С. 13.
4. Слободян С. М. Телевизионная диагностика лазерных пучков. — Барнаул: Азбука, 2006.
5. Слободян М. С., Слободян С. М. // Датчики и системы. — 2003. — № 3. — С. 47.
в
6. Слободян С. М. // Измерительная техника. — 2003. — № 1. — С. 19; Slobodyan S. M. // Measurement Techniques. — 2003. — V. 46. — N 1. — P. 28.
7. Субботин М. И. // Измерительная техника. — 2003. — № 2. — С. 46; Subbotin M. I. // Measurement Techniques. — 2003. — V. 46. — N 2. — P. 177.
8. Симонсен Э. // Приборы и системы управления. — 1993. — № 12. — С. 45.
9. Шишигин С. А., Слободян С. М. Свечение очага опти-
ческого пробоя воздуха /
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.