Развитие пьезоэлектрического приборостроения на основе новых информационно-измерительных и технологических методов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, доктор технических наук Земляков, Виктор Леонидович

• Земляков, Виктор Леонидович
• доктор технических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор технических наук Земляков, Виктор Леонидович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ.

1.1. Общая характеристика пьезокерамических материалов, ПЕСЭ и пьезопреобразователей.

1.2. Измерение параметров ПКЭ.

1.2.1. Измерение параметров ПКЭ по частотной характеристике проводимости в области резонанса

1.2.2. Измерение параметров ПКЭ при импульсном воздействии.

1.3. Измерение параметров пьезокерамического материала.

1.4. Диагностика ПКЭ и пьезопреобразователей.

Выводы.

ГЛАВА 2. НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ.

2.1. Новый подход к определению пьезомодуля в динамическом режиме.

2.2. Определение параметров элементов эквивалентной электрической схемы ПКЭ.

2.3. Новые методы определения пьезомодуля.

2.4. Новые методы определения параметров ПКЭ и пьезопреобразователей как пьезорезонаторов.

Выводы.

ГЛАВА 3. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА ОБРАЗЦАХ ПКЭ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

3.1. Определение пьезомодуля пьезокерамических материалов на различных образцах ПКЭ.

3.2. Проверка идентичности ПКЭ.

Выводы.

ГЛАВА 4. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ПКЭ И ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

4.1. Измерительно-вычислительные комплексы для измерения и контроля параметров ПКЭ и пьезопреобразователей.

4.2. Научно-технические предложения по созданию нового поколения измерительных средств в пьезоэлектрическом приборостроении.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие пьезоэлектрического приборостроения на основе новых информационно-измерительных и технологических методов»

Актуальность работы. Пьезоэлектрическое приборостроение - это одно из современных направлений приборостроения, в котором элементная база включает пьезокерамические элементы (ГЖЭ) — тела простой геометрической формы, изготовленные из пьезокерамических материалов. На основе ПКЭ изготавливают пьезопреобразователи и различные средства, широко применяемые в науке и технике — радиоэлектронике, виброметрии, гидроакустике и ультразвуковой технике и т. д.

В настоящее время в пьезоэлектрическом приборостроении, как для исследовательских целей, так и для решения практических задач, связанных с диагностикой ГЖЭ и пьезопреобразователей, широко применяют одни и те же методы испытаний в динамическом режиме. Для реализации этих методов используют характерные точки на частотной характеристике проводимости в области резонанса и расчетные формулы, полученные путем решения электромеханической задачи.

Большой вклад в развитие этих методов внесли как отечественные, так и зарубежные ученые. Среди них Акопьян В. А., Ганопольский В. В., Доля В. К., Иванов H. М., Крамаров О. П., Крамаров Ю. А., Милославский Ю. К., Парфенов Б. Г., Петин Г. П., Прудько Н. И., Пугачев С. И., Тимошенко С. П., Eernisse Е., Hollang R., Mason W., Martin G., Smits J. и ряд других.

Наиболее распространенными методами, реализующими динамический режим измерений, являются метод «резонанса-антирезонанса» и GBW— метод, являющийся развитием метода круговых диаграмм для комплексной проводимости. Перечисленные методы используют для определения важных параметров, таких как пьезомодуль и коэффициент электромеханической связи пьезокерамического материала, коэффициент электромеханической трансформации и эффективный коэффициент электромеханической связи ГЖЭ и пьезопреобразователя как пьезорезонатора и т. д.

Метод «резонанса-антирезонанса» регламентирован стандартами и требует, н апример, для определения пьезомодуля пе рвичных измерений в трех частотных областях: область низких частот (100 Гц или 1 кГц), область частот механического резонанса ПКЭ, область частот электромеханического резонанса (антирезонанса). Как правило, измеряют частотную зависимость модуля проводимости, далее по ней находят характерные точки (максимальное и минимальное значение) и определяют исходные данные, по которым проводится расчет. Применение ОВ\¥ метода связано с измерением частотной зависимости активной составляющей проводимости, определением по характерным точкам ширины резонансной кривой на уровне половинной мощности (0,5 от максимального значения) и проводимости на частоте резонанса с последующими расчетами по определенным формулам.

Учитывая, что количество методов испытаний ПКЭ и пьезопреоб-разователей в динамическом режиме ограничено, возможность выбора эффективного метода в зависимости от специфики конкретной задачи отсутствует.

Перенос исследовательских методов в область диагностики приводит к тому, что процедура испытаний становится неэффективной, а средства измерений сложны в реализации, недостаточно быстродействующие и не позволяют автоматически сразу после измерений формировать на выходе электрический сигнал, амплитуда которого была бы пропорциональна, например, величине пьезомодуля, что позволит автоматически управлять исполнительными устройствами разбраковки.

Кроме этого, сами по себе методы и «резонанса-антирезонанса» не свободны от ряда недостатков. Так ОВЛУ'-метод требует определения резонансного промежутка, т. :е. небольшой разности двух больших значений частот: при этом погрешность определения этих значений частот переносится на погрешность определения небольшого резонансного промежутка, что приводит к большой погрешности определения результата, когда этот метод реализуется в автоматизированных средствах при измерениях проводимости в ряде дискретных точек. В случае применения метода «резонанса-антирезонанса» отсутствует возможность учитывать механические потери в пьезокерамическом материале и исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи с невысокой добротностью. Кроме этого, отсутствует возможность исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи, когда затруднена локализация частоты антирезонанса.

Существующие методы оценки параметров и отбора качественных ПКЭ и пьезопреобразователей при их производстве и различных видах испытаний не всегда позволяют изготавливать изделия пьезоэлектрического приборостроения с высокими техническими характеристиками.

Таким образом, актуальной является научная проблема, заключающаяся в необходимости разработать новые научно обоснованные технические и технологические решения путем создания многообразия информационно-измерительных и технологических методов определения параметров пьезокерамических материалов, ПКЭ и пьезопреобразователей, одни из которых будут устранять недостатки известных методов, другие станут основой создания нового поколения автоматизированных средств измерений, эффективно решающих практические задачи в пьезоэлектрическом приборостроении. Однако для решения указанной научной проблемы необходим новый научно-методический аппарат.

Представленные в диссертации результаты позволяют решить указанную научную проблему, создать новый научно-методический аппарат путем разработки новых методов определения и контроля параметров пьезоке-рамического материала, ПКЭ и пьезопреобразователей, которые могут быть реализованы как на существующей в настоящее время аппаратуре, так и, более эффективно при диагностике, новыми средствами измерений.

Применение результатов диссертационной работы позволит реализовать новую технологию диагностики, отбора и применения ПКЭ и пьезопреобразователей, что позволит существенно повысить основные технические характеристики создаваемых пьезоэлектрических приборов и систем.

Объектом исследований являются пьезокерамические элементы и пьезопреобразователи.

Предмет исследования составляют информационно-измерительные и технологические методы, применяемые в пьезоэлектрическом приборостроении для различных испытаний пьезокерамических элементов и пьезопреобразователей.

Цель диссертационной работы заключается в развитии и создании новых информационно-измерительных и технологических методов, а также разработке нового поколения автоматизированных и быстродействующих измерительных средств, применяемых в пьезоэлектрическом приборостроении.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Сформировать новый подход к определению пьезомодуля.

2. Разработать новые информационно-измерительные и технологические методы в пьезоэлектрическом приборостроении.

3. Провести ' экспериментальные исследования и сравнительный анализ новых методов.

4. Разработать научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств реализации новых методов.

При проведении исследований использовались методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей в применении к ПКЭ, методы теории измерений, программный пакет МаИаЬ + БтиНпк для компьютерного моделирования технологических и информационно-измерительных процессов.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена:

Корректностью постановок задач и применением математических методов их решения.

Непротиворечивостью предлагаемых решений известным результатам, полученных другими способами.

Проверкой соответствия данных, полученных на математических моделях, реально наблюдаемым экспериментальным данным.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Сформулирован новый подход к определению пьезомодуля, отличающийся тем, что модель ПКЭ в виде эквивалентной электрической схемы используется как связующее звено между пьезомодулем пьезокерамического материала и частотными или временными характеристиками ПКЭ: любой метод определения емкости или индуктивности динамической ветви эквивалентной электрической схемы ПКЭ является методом определения пьезомодуля.

2. Разработаны две группы информационно-измерительных и технологических методов, позволяющих определять основные параметры пьезокерамических материалов, ПКЭ и пьезопреобразователей:

• методы первой группы представляют собой дальнейшее развитие известных методов, основанных на поиске характерных точек на измеренной частотной характеристике проводимости:

- метод, основанный на измерении частоты максимума и ширины резонансной кривой модуля проводимости ПКЭ на уровне половинной мощности (0,7 от максимального значения), отличающийся тем, что не требует для своей реализации значения частоты антирезонанса и позволяет определять, например, пьезомодуль пьезокерамического материала по измерениям модуля проводимости только в области механического резонанса;

- метод, основанный на измерении частот максимума и минимума модуля проводимости ПКЭ и значений проводимости на этих частотах, отличающийся тем, что позволяет учитывать механические потери в пьезокерамическом материале и исследовать ПКЭ и пьезопреобразователи с невысокой добротностью;

- метод, основанный на измерении максимальных значений активной составляющей проводимости ПКЭ и ее производной, отличающийся тем, что позволяет определять параметры только по амплитудным измерениям;

• методы второй группы отличаются тем, что не требуют поиска характерных точек и основаны на новых алгоритмах обработки частотных и временных характеристик ПКЭ:

- метод, основанный на измерении площади под кривой (интеграла) на графике активной составляющей проводимости ПКЭ и позволяющий автоматически сразу после измерений получать величину квадрата пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации;

- метод, основанный на измерении скорости уменьшения тока по огибающей вначале переходного процесса при воздействии на ПКЭ радиоимпульсом, позволяющий автоматически сразу после измерений получать величину квадрата пьезомодуля или коэффициента электромеханической трансформации.

Разработаны научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств измерений в пьезоэлектрическом приборостроении, которые: не требуют проведения измерений в характерных точках частотных характеристик и определения небольшой разности частот (резонансных промежутков) для двух больших значений частоты; позволяют получить результат за промежуток времени менее 1 сек.; автоматически сразу после измерений формируют на выходе электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна контролируемому параметру пьезокерамического материала, ПКЭ или пьезопреобразователя, что позволяет автоматически выполнять их разбраковку.

Теоретическая значимость работы заключается в формировании многообразия информационно-измерительных и технологических методов в пьезоэлектрическом приборостроении и создании условий для дальнейших разработок благодаря возможности использовать хорошо разработанный аппарат теории линейных электрических цепей для определения параметров элементов эквивалентной электрической схемы ПКЭ и пьезопреобразова-телей.

Практическая ценность работы обусловливается следующим:

• Формированием экспериментально апробированного многообразия информационно-измерительных и технологических методов в пьезоэлектрическом приборостроении, каждый из которых эффективен при решении конкретной практической задачи.

В том числе:

- метода, позволяющего при измерениях модуля проводимости ПКЭ или пьезопреобразователя проводить диагностику, когда нельзя пренебречь механическими потерями;

- метода, позволяющего при измерениях модуля проводимости ПКЭ или пьезопреобразователя проводить диагностику при отсутствии возможности измерить частоту антирезонанса;

- метода, позволяющего при измерениях активной составляющей проводимости ПКЭ и пьезопреобразователя проводить диагностику только по амплитудным измерениям;

- методов экспресс-диагностики ПКЭ и пьезопреобразователей, которые не требуют поиска характерных точек, и, тем не менее, сразу после измерений позволяют получить количественную информацию о значении контролируемого параметра.

• Внедрением в производство автоматизированных средств измерений для диагностики ПКЭ и пьезопреобразователей нового поколения.

• Повышением производительности при испытаниях больших партий ПКЭ и пьезопреобразователей за счет увеличения быстродействия средств измерений.

• Возможностью реализовать новую технологию диагностики, отбора и применения ПКЭ и пьезопреобразователей, что, в свою очередь, позволит существенно повысить основные технические характеристики создаваемых пьезоэлектрических приборов и систем.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в разработки НКТБ «Пьезоприбор» - одной из ведущих организаций в России в области пьезоэлектрического приборостроения: в комплекс «Лиман-Пьезо» (68.70.00.00.000), в аппаратуру «Цензурка-М» (68.86.00.00.000), в автомат для измерения параметров и паспортизации пьезоэлементов и преобразователей «Пьезо-1», а также внедрены в учебный процесс факультета высоких технологий Южного федерального университета, реализующего магистерскую подготовку по программе «Пьезоэлектрическое приборостроение»: дисциплина «Измерительные технологии в пьезоэлектрическом приборостроении».

Новые научные результаты и положения, разработанные автором лично и выносимые для публичной защиты:

1. Новый подход к определению пьезомодуля, в соответствии с которым модель ПКЭ в виде эквивалентной электрической схемы используется как связующее звено между пьезомодулем пьезокерами-ческого материала и частотными или временными характеристиками ПКЭ.

2. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении частоты максимума и ширины резонансной кривой модуля проводимости ПКЭ на уровне половинной мощности, позволяющий определять пьезо-модуль по измерениям модуля проводимости только в области механического резонанса.

3. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении частот максимума и минимума модуля проводимости ПКЭ и значений проводимости на этих частотах, позволяющий учитывать механические потери в пьезокерамическом материале.

4. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении максимальных значений активной составляющей проводимости ГПСЭ и ее производной, позволяющий определять пьезомодуль только по амплитудным измерениям.

5. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении площади под кривой (интеграла) на графике активной составляющей проводимости ПКЭ, не требующий поиска характерных точек на частотной характеристике и позволяющий автоматически сразу после измерений получать электрический сигнал постоянного уровня, пропорциональный величине квадрата пьезомодуля.

6. Метод определения пьезомодуля, основанный на измерении скорости уменьшения тока по огибающей вначале переходного процесса при воздействии на ПКЭ радиоимпульсом, позволяющий автоматически сразу после измерений получать импульс тока, амплитуда которого пропорциональна величине квадрата пьезомодуля.

7. Научно-технические предложения по созданию нового поколения автоматизированных средств измерений в пьезоэлектрическом приборостроении.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции стран СНГ «Проблемы метрологии гидрофизических измерений» (Москва, 1992), Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Ростов н/Д, 1999), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий» (Ростов н/Д, 2006), Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в пьезоэлектрическом приборостроении» (Анапа, 2008), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (Таганрог, 2009), Восьмой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009).

Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в монографии, 23 статьях в журналах и научно-технических сборниках (в том числе 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ), 4 патентах РФ, 6 тезисах докладов на Международных и Всероссийских конференциях, учебно-методическом пособии с грифом УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 245 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 32 таблицы и список литературы из 156 наименований.