Научно-исследовательский институт физики

Скачать 430.44 Kb.

Название	Научно-исследовательский институт физики
страница	3/6
Тип	Учебное пособие

1 2 3 4 5 6

Пьезоэлектрические преобразователи, которые используются для указанных целей, помимо оптимальных сочетаний параметров должны иметь высокую устойчивость их к внешним воздействиям (например, изменению температуры внешней среды, действию высокого электрического поля). Наиболее часто в качестве дополнительной характеристики для фильтровых устройств используются относительные изменения резонансной частоты преобразователя в рабочем интервале температур, для преобразователей, работающих в силовых режимах, высокотемпературных преобразователей и др.– относительные изменения пьезокоэффициентов и коэффициентов электромеханической связи [13,17,21]. Рабочий интервал температур для конкретного сегнетоматериала обычно определяется его химическим составом (температурой точки Кюри, Т_к) и задается на ~(50 ÷ 100) ^оС ниже Т_к [21].

2. Определение относительного отклонения резонансной частоты и пьезопараметров радиальной моды колебаний пьезоэлемента в интервале рабочих температур
Определение относительного отклонения резонансной частоты f_r и пьезопараметров К_р и d₃₁ радиальной моды колебаний пьезоэлемента в заданном интервале рабочих температур от их значений, измеренных при температуре (252) С, проводят на поляризованных стандартных образцах в форме диска диаметром ~10 мм и толщиной ~1 мм в соответствии с описанием технологического процесса, обеспечивающего детальное пошаговое изучение изменений параметров при вариации температуры. Резонансные f_r, (f_r₁) и антирезонансную f_ачастоты измеряют амплитудным методом. Величины f_r, (f_r₁) и f_а определяют как частоты, соответствующие максимальному и минимальному значению модуля злектрического тока, протекающего через пьезоэлемент на заданном обертоне радиальной моды колебаний.
2.1 Определение относительного отклонения резонансной частоты

Определение относительного отклонения резонансной частоты проводят из измерения частоты первого (основного) обертона f_r₁ в интервале рабочих температур на стенде, структурная схема которого приведена на рисунке 1, и последующего вычисления по формуле. Общий вид стенда показан на фотографии в Приложении А.

2.1.1 Подготовка к работе.

2.1.1.1 Осмотреть в начале работы приборы и убедиться:

- в надежности заземления корпусов приборов,

- в надежности соединения приборов между собой,

- в отсутствии механических повреждений корпусов, переключателей,

2.1.1.2 Подвергнуть контролю образцы и подготовить их к работе:

- образцы, имеющие механические повреждения, отбраковать,

- протереть поверхности образцов марлевым тампоном, смоченным в спирте,

- просушить образцы на воздухе в течение 10-15 минут.

2.1.1.3 Закрепить образцы в индивидуальных держателях тепловой камеры. Закрыть камеру.

2.1.1.4 Включить приборы. Подготовить их к работе в соответствии с инструкциями по эксплуатации.

2.1.2 Технологический процесс.

2.1.2.1. Охладить термокамеру до температуры минус 60 С.

2.1.2.2 Провести измерение резонансной частоты f_r при температуре минус 60 С после выдержки образцов, достаточной для стабилизации частоты при данной температуре, следующим образом:

2.1.2.3 Установить переключатель П₁ в положение, при котором R_н=1 Ом. Плавно меняя частоту генератора (1), добиться максимального отклонения стрелки лампового милливольтметра (5). Максимальному значению выходного напряжения U_вых соответствует резонансная частота образца, которая контролируется электронным частотомером (3). Записать показания электронного частотомера в сопроводительный лист.

2.1.2.4 Поднимать температуру в термокамере от минус 60 до плюс 85 С через каждые 10 С. При каждой температуре измерять резонансную частоту пьезоэлемента после выдержки, достаточной для стабилизации частоты при данной температуре.

Погрешность измерения частоты f_r при добротности 50 должна быть не более ±0.25 %.

Рисунок 1 – Структурная схема стенда для измерения резонансной частоты радиальной моды колебаний пьезоэлемента в интервале рабочих температур

1 – генератор сигналов Г4-102А

2 – измеряемый образец (резонансное сопротивление R_r)

3 – частотомер Ч3-64

4, 5 – ламповый милливольтметр В3-38

6 – пассивный четырёхполюсник (R₁ = (1.0–20.0)R_{вых.ген.}, R₂=(0.2– 5.0)R_н;

R_н = (0.05 – 3.0) R_r)

7 – держатель образца в термокамере

8 – термокамера КТХ – 0.01- 60/125
2.1.2.5 Определить относительное отклонение резонансной частоты (ООЧ) f_/f_r по формулам:

,

где f_r – частота ПКЭ, измеренная при температуре (252) С;

 максимальное и минимальное значение частоты пьезоэлемента в

заданном интервале температур.

За величину ООЧ принимают бόльшее из полученных значений.

2.1.2.6 После окончания работы отключить приборы от сети.

2.1.2.7 Заполнить сопроводительный лист и передать образцы на следующую операцию.
2.2 Определение относительного отклонения пьезопараметров

Определение относительного отклонения планарного коэффициента электромеханической связи К_р и пьезомодуля d₃₁ в интервале рабочих температур от их значений, измеренных при температуре (25±2) ^оС, проводят из измерения статической емкости С, резонансных частот первого (основного) обертона f_r₁, третьего обертона f_r₃ и антирезонансной частоты f_aрадиальной моды колебаний пьезоэлемента и последующего вычисления по формулам. Статическая емкость и резонансные частоты измеряют на стенде, структурная схема которого приведена на рисунке 2. Общий вид стенда показан на фотографии в Приложении А.

2.2.1 Подготовка к работе.

2.2.1.1 Осмотреть в начале работы приборы и убедиться:

- в надежности заземления корпусов приборов,

- в надежности соединения приборов в соответствии со структурной схемой, приведенной на рисунке 2.

- в отсутствии механических повреждений корпусов, переключателей.

Рисунок 2 – Структурная-схема установки для измерения статической емкости и резонансных и антирезонансной частот радиальной моды колебаний пьезоэлемента в интервале рабочих температур

1 – генератор сигналов Г4-102 А

2 – измеряемый образец (резонансное сопротивление R_r)

3 – частотомер Ч3-64

4, 5 – милливольтметр ламповый В3-38

6 – пассивный четырехполюсник (R₁ = (1.0 – 20.0)R_{вых.ген.}, R₂ = (0.2 – 5.0)R_н; R_н = (0.05 – 3.0) R_r при измерении характеристик образца на резонансной частоте; R_н= (1 – 100)R_r при измерении антирезонансной частоты

7 – держатель образца в термокамере

8 – термокамера КТХ-0.01-60/125

9 – мост емкостей ЦЕ 5002

П₁ – переключатель сопротивлений нагрузки
2.2.1.2 Подвергнуть контролю образцы и подготовить их к работе:

- образцы, имеющие механические повреждения, отбраковать,

- протереть поверхности образцов марлевым тампоном, смоченным в спирте,

- просушить образцы на воздухе в течение 10-15 минут.

2.2.1.3 Измерить с помощью микрометра размеры испытуемых образцов.

2.2.1.4 Закрепить образцы в индивидуальных держателях тепловой камеры. Закрыть камеру.

2.2.1.5 Включить приборы. Подготовить их к работе в соответствии с инструкциями по эксплуатации.

2.2.2 Технологический процесс.

2.2.2.1 Охладить термокамеру до температуры минус 60 С.

2.2.2.2 Поставить переключатель П₂ на четырехполюснике в положение 1.

2.2.2.3 Измерить частоты первого (основного) обертона f_r₁, третьего обертона f_r₃ и антирезонансную частоту f_а при температуре минус 60 С после выдержки образцов, достаточной для стабилизации частот при данной температуре, следующим образом:

2.2.2.4 Подать с генератора стандартных сигналов (1) на вход четырехполюсника сигнал такой величины, чтобы на пьезокерамическом образце в момент резонанса напряжение не превышало 220 мВ. Это напряжение U_вх контролируется ламповым милливольтметром (4) в течение всего времени измерения.

Примечание. При значении механической добротности ПКМ Q_м < 200 устанавливают напряженность электрического поля в образце Е = (200±20) мВ/мм, при Q_м = 200-1000 устанавливают напряженность электрического поля

Е=(100±20) мВ/мм, при Q_м > 1000 установленная напряженность поля Е должна быть не более 50 мВ/мм.

2.2.2.5 Установить переключатель П₁ в положение, при котором R_н = 1 Ом.

2.2.2.6 Плавно меняя частоту генератора (1), добиться максимального отклонения стрелки лампового милливольтметра (5). Максимальному значению выходного напряжения U_вых соответствует резонансная частота образца, которая контролируется электронным частотомером (3).

Погрешность измерения частоты f_r₁ при добротности 50 должны быть не более ± 0,25 %.

2.2.2.7 Записать показания электронного частотомера (3), милливольтметров (4) (U_вх) и (5) (U_вых), соответствующих резонансной частоте f_r₁ образца, а также величину сопротивления R_н.

2.2.2.8 Плавно увеличивая частоту генератора, добиться минимального отклонения стрелки милливольтметра (5). Установить переключатель П₁ в положение 2, при котором R_н= 1 кОм, и, плавно меняя частоту генератора, добиться минимального отклонения стрелки милливольтметра (5). Минимальному значению выходного напряжения соответствует антирезонансная частота f_a, которая контролируется электронным частотомером (3).

Погрешность измерения частоты f_a при добротности 50 должна быть не более ± 0,5 %.

2.2.2.9 Записать в журнал показание электронного частотомера (3), соответствующее антирезонансной частоте f_a образца.

2.2.2.10 Установить переключатель П₁ в положение 1, при котором R_н=1 Ом. Плавно меняя частоту генератора, добиться максимального отклонения стрелки милливольтметра (5), соответствующего третьему обертону радиальной моды колебаний образца.

Примечание. Частота третьего обертона радиальной моды колебаний образца f_r₃ выше резонансной частоты первого (основного) обертона f_r₁ приблизительно в 2,6 раза.

2.2.2.11 Записать показание электронного частотомера (3), соответствующее третьему обертону (f_r₃) радиальной моды колебаний образца.

Поставить переключатель П₂ на четырехполюснике в положние 2.

2.2.2.13 Измерить емкость пьезоэлемента в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора и сделать запись показаний прибора в сопроводительный лист.

Погрешность измерения статической емкости не более  0,5 %.

2.2.2.14 Поднимать температуру в термокамере от минус 60 до плюс 85 С через каждые 10 С. При каждой температуре измерять частоты и статическую емкость пьезоэлемента после выдержки, достаточной для стабилизации частоты и емкости при данной температуре в соответствии с подпунктами 2.2.2.2-2.2.2.13.

2.2.3 При каждой температуре рассчитать параметры К_р, ε^Т₃₃ и d₃₁ по следующим формулам [22]:

2.2.3.1 Рассчитать коэффициент электромеханической связи (К_р) по формуле:

,

где d_r – относительный резонансный промежуток первого (основного)

обертона радиальной моды колебаний, определяемый по формуле:

,

где f_r₁, f_a – соответственно, резонансная и антирезонансная частоты, Гц;

а, b – коэффициенты, определяемые в зависимости от значения

коэффициента b в соответствии с таблицей 1, приведенной в Приложении Б

[22, с.54].

2.2.3.2 Коэффициент b вычисляют по формуле:

,

где f_r₁ – резонансная частота первого (основного) обертона, Гц;

f_r₃ – резонансная частота третьего обертона, Гц.

2.2.3.3 Рассчитать относительную диэлектрическую проницаемость материала по формуле:

,

где С – статическая емкость образца, пФ;

h – толщина образца, м;

D – диаметр электрода, м;

e₀=8.85×10^-12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума.

2.2.3.4 Рассчитать пьезомодуль в динамическом режиме (d₃₁, Кл/Н) по формуле:

,

где r – плотность, кг/м³;

f_r – резонансная частота первого (основного) обертона, Гц;

d_r – относительный резонансный промежуток;

D – диаметр, м;

e^Т₃₃/e₀ – относительная диэлектрическая проницаемость.

2.2.3.5 Рассчитать относительные отклонения К_р и d₃₁ (А_/А) по формулам:

,

где А – значение параметра (К_р или d₃₁) при температуре (252) С;

 максимальное и минимальное значение параметра (К_р или d₃₁) в

заданном интервале температур.

За величину относительного отклонения параметра (К_р или d₃₁) от его значения при температуре (252) С принимают бόльшее из полученных значений.

Примечание. Если для практического использования сегнетоматериала необходимо знать величину относительного отклонения диэлектрической проницаемости в интервале рабочих температур, то она также может быть рассчитана по формулам в соответствии с подпунктом 2.2.3.5.

2.2.3.6 После окончания работы отключить приборы от сети.

2.2.3.7 Заполнить сопроводительный лист и передать образцы на следующую операцию.

Для экспресс-оценки изменений параметров в интервале температур измерения частот резонанса, f_r, и антирезонанса, f_а, и пьезоэлектрических параметров K_p и d₃₁ радиальной моды колебаний ТР проводят методом резонанса-антирезонанса на поляризованных образцах в автоматическом режиме с помощью прецизионного LCR-метра Agilent 4980A.
3. Определение относительного отклонения резонансной частоты и пьезопараметров толщинной или сдвиговой мод колебаний пьезоэлемента в интервале рабочих температур

Определение относительного отклонения резонансной частоты толщинной (f_rt) или сдвиговой (f_r_с) мод колебаний пьезоэлементов и пьезопараметров К_t, К₁₅, d₁₅ в интервале рабочих температур от их значений, измеренных при температуре (252) С, проводят на поляризованных образцах в форме диска диаметром 20 мм и толщиной 1 мм или пластины 6×6×0.4 мм в соответствии с описанием технологического процесса. Резонансные и антирезонансные частоты толщиной или сдвиговой мод колебаний измеряют амплитудным методом, определяя величины f_r и f_а как частоты, соответствующие максимальному и минимальному значению электрического тока, протекающего через пьезоэлемент на заданном обертоне определенной моды колебаний. Коэффициенты электромеханической связи толщиной и сдвиговой мод колебаний можно определить также из отношения частот последовательных резонансов гармоник (обертонов) к основной резонансной частоте (основному обертону) [23-25].

3.1 Определение относительного отклонения резонансной частоты

Определение относительного отклонения резонансной частоты толщинной (f_rt) или сдвиговой (f_r_с) мод колебаний пьезоэлементов в заданном интервале рабочих температур от частоты, измеренной при температуре 252 С проводят из измерения частоты f_rt или f_r_с на стенде, структурная схема которого приведена на рисунке 3. Общий вид стенда показан на фотографии в Приложении А.

3.1.1 Подготовка к работе.

3.1.1.1 Осмотреть в начале работы приборы и убедиться:

- в надежности заземления корпусов приборов,

- в наличии заземляющего контура и надежности его заземления,

- в отсутствии механических повреждений корпусов, переключателей,

- в правильности и надежности соединений приборов по указанной схеме.

Примечание. При обнаружении неисправностей сообщить о них руководителю подразделения.

3.1.1.2 Подвергнуть контролю образцы и подготовить их к работе:

- образцы, имеющие механические повреждения, отбраковать,

- протереть поверхности образцов марлевым тампоном, смоченным в спирте,

- просушить образцы на воздухе в течение 10-15 минут.

3.1.1.3 Закрепить образцы в индивидуальных держателях тепловой камеры. Закрыть камеру.

3.1.1.4 Включить приборы. Подготовить их к работе в соответствии с инструкциями по эксплуатации.

3.1.2 Технологический процесс.

3.1.2.1 Охладить термокамеру до температуры минус 60 С.

3.1.2.2 Измерить резонансную частоту f_rt или f_r_с при температуре минус

60 С после выдержки образцов, достаточной для стабилизации частоты при данной температуре в следующем порядке:

3.1.2.3 Установить переключатель четырехполюсника П₁ в положение, при котором сопротивление нагрузки R_н = 1 Ом.

3.1.2.4 Подать на вход четырехполюсника сигнал такой величины, чтобы на экране индикатора (1) можно было наблюдать амплитудно-частотную характеристику образца.

61ё

Рисунок 3 – Структурная схема установки для измерения резонансной частоты толщинной или сдвиговой мод колебаний в интервале рабочих температур
1	прибор для исследования амплитудно-частотной характеристики XI-48
2	– частотомер электронно-счетный вычислительный Ч3-64
3	– широкополосный усилитель У3-33
4	– держатель образца в термокамере
5	– образец (резонансное сопротивление R_r)
6	– пассивный четырехполюсник (R₁ = (1,0-20,0) R_{вых.ген.}; R₂=(0,2-5,0) R_н; R_н = (0,053,0) R_r
7	– термокамера КТХ-0.01-60/125

3.1.2.5 Измерить резонансную частоту f_rt или f_r_с в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора и записать ее значение в сопроводительный лист.

Примечания:

1. Частота f_rt или f_r_с контролируется электронным частотомером (2).

2. Частота f_rt моды колебаний растяжения–сжатия по толщине определяется на образцах в форме диска диаметром 20 мм и толщиной 1 мм или на пластинах 6×6×0.4 мм со специальными электродами [22]. Частота f_r_с сдвиговой моды колебаний по толщине определяется на пластинах 6×6×0.4 мм [22]; ось поляризация направлена вдоль стороны квадрата, измерительное поле – по толщине пластины.

3.1.2.6 Поднимать температуру в термокамере от минус 60 до плюс 85 С через каждые 10 С. При каждой температуре измерять резонансную частоту пьезоэлемента после выдержки, достаточной для стабилизации частоты при данной температуре.

Погрешность измерения частоты f_rt или f_r_с должна быть не более  0,5 %.

3.1.2.7 Рассчитать относительное отклонение резонансной частоты (ООЧ) f_/f_r по формулам:

,

где f_r – резонансная частота толщинной или сдвиговой мод колебаний

пьезоэлемента, измеренная при температуре (252) С;

 максимальное и минимальное значение частоты в заданном

интервале температур.

За величину ООЧ принимают бόльшее из полученных значений.

3.1.2.8 После окончания работы отключить приборы от сети.

3.1.2.9 Заполнить сопроводительный лист и передать образцы на следующую операцию.

1 2 3 4 5 6

	Памятка индивидуальный учебный план аспиранта является основным документом,... Институт физики микроструктур ран – филиал федерального государственного бюджетного научного учреждения «федеральный исследовательский...		Методические указания му 2552-09 Микроб"; фгуз "Противочумный центр Роспотребнадзора"; фгуз "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский противочумный институт";...
	Документация по проведению запроса цен в электронной форме «российский федеральный ядерный центр всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики»		Федеральное государственное унитарное предприятие ...
	«Предэскизная проработка технических решений подводной фонтанной... «российский федеральный ядерный центр всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики»		Отчет о научно-исследовательской работе общие требования и правила... Федеральным государственным унитарным предприятием «Мытищинский научно-исследовательский институт радиоизмерительных приборов» и...
	Утвержден Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Гириконд» создано Комитетом по управлению городским имуществом...		Решение открытого акционерного общества «Российская электроника» Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Гириконд» создано Комитетом по управлению городским имуществом...
	Транспортный упаковочный комплект тук-137 для безопасного транспортирования... Фгуп рфяц «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики», г. Саров		Российской федерации федеральное государственное учреждение «всероссийский... Перечень разработан специалистами Отдела нормативного обеспечения охраны труда Федерального государственного учреждения «Всероссийский...

Научно-исследовательский институт физики

Похожие: