Metod_LR_EAP

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

для студентів напряму підготовки 6.050803 «Акустотехніка»

Рекомендовано Методичною радою НТУУ “КПІ”

Київ

НТУУ “КПІ”

2011

Електроакустичні перетворювачі: метод. вказівки до викон. лабораторних робіт для студ. напряму підготов. 6.050803 «Акустотехніка» / О.Г. Лейко, І.В. Кандрачук, В.П. Заєць. – К.: НТУУ «КПІ», 2011. – 40 с.

Гриф надано Методичною радою НТУУ «КПІ» (Протокол №___ від ___ ______ 2012р.)

Навчальне видання

МЕДИЧНІ АКУСТИЧНІ ПРИЛАДИ ТА СИСТЕМИ

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

для студентів напряму підготовки 6.050803 «Акустотехніка»

Укладачі: Лейко Олександр Григорович, д.т.н., проф.

Кандрачук Іван Вікторович, к.т.н., доц.

Заєць Віталій Пантелейович, асист.

Відповідальний редактор О.В. Коржик, докт. техн. наук, доц.

Рецензенти В.Б. Швайченко,канд. техн. наук, доц.

________________________________

За редакцією укладачів

2

Лабораторні роботи з дисципліни «електроакустичні перетворювачі» виконуються з метою:

1.Ознайомлення в умовах промислового виробництва з конкретними конструкціями сучасних типів перетворювачів, їх загальними характеристиками, умовами та особливостями застосування в різних технічних галузях.

2.Ознайомлення в умовах промислового виробництва з конкретними типовими методиками, апаратурою та обладнанням для експериментального визначення параметрів активних вузлів конкретних зразків перетворювачів та цих зразків в цілому.

3.Придбання практичних навичок контролю різних параметрів

перетворювачів та їх вузлів і складання технічних звітів згідно з вимогами ЄСКД.

Всього необхідно виконати 4 лабораторні роботи. Кожна з робіт складається з двох завдань.

Перше завдання має на меті ознайомлення і вивчення теоретичних положень, які відповідають темі лабораторної роботи.

Друге завдання направлене на практичне застосування теоретичних положень, викладених в першому завданні, і придбання практичних навичок по експериментальному визначенню параметрів активних елементів і перетворювачів в цілому.

По кожному із завдань, кожним студентом, складаються технічні звіти згідно з вимогами ЄСКД. На основі цих звітів кожний студент здійснює здачу і захист виконаної ним роботи.

3

Лабораторна робота №1

Ознайомлення з типовими конструкціями активних елементів п’єзокерамічних перетворювачів, основними їх параметрами та методами перевірки цих параметрів

Мета роботи

1.Ознайомлення з конструкціями активних елементів типових п’єзокерамічних перетворювачів – циліндричних, стрижньових, пластинчастих, арочних.

2.Ознайомлення з переліком і змістом обов’язкових параметрів, які є необхідними для контролю якості виготовлення п’єзокерамічних активних елементів та перевірки стану працездатності перетворювачів в процесі експлуатації.

3.Освоєння загальної суті методів перевірки параметрів п’єзокерамічних активних елементів та перетворювачів.

Завдання №1 (2 години)

1.Ознайомитися з конструкціями активних елементів типових п’єзокерамічних перетворювачів – циліндричних, стрижньових, пластинчастих, арочних і скласти їх ескізи.

2.Ознайомитися з переліком і змістом обов’язкових параметрів, які необхідно контролювати при виготовленні п’єзокерамічних активних елементів та при перевірці працездатності перетворювачів в процесі експлуатації.

Зміст технічного звіту по завданню №1

1.Ескізи конструкцій активних елементів типових п’єзокерамічних перетворювачів.

2.Перелік обов’язкових параметрів та визначення кожного з них.

Завдання №2 (2 години)

Освоїти загальну суть методів перевірки параметрів п’єзокерамічних активних елементів і перетворювачів:

внутрішнього опору при сталому струмі RBH ;

опору ізоляції перетворювача RІЗ ;

електричної міцності ізоляції перетворювача змінним струмом;

електричної ємності Сел і тангенсу кута діелектричних втрат tg ;

полярності п’єзокерамічних елементів і перетворювачів;

динамічної механічної міцності перетворювачів та п’єзоблоків;

герметичності перетворювачів;

статичної міцності і герметичності перетворювачів під дією зовнішнього тиску та рідини.

4

Зміст технічного звіту по завданню №2

По кожному з параметрів необхідно викласти:

1.Перелік приладів або обладнання, які необхідні для перевірки даного параметру;

2.Суть і зміст методу перевірки даного параметру.

Література

А.Г. Рабинович, Л.А. Рубанов. Технология производства гидроакустической аппаратуры. Л.: Судостроение, 1973. – 224 с.

Теоретичні положення

1. Перелік деяких обов’язкових параметрів, які необхідно контролювати при виготовленні п’єзокерамічних активних елементів і при перевірці працездатності перетворювача в процесі експлуатації перетворювачів:

внутрішній опір при сталому струмі RBH ;

опір ізоляції перетворювача RІЗ ;

електрична міцність ізоляції перетворювача;

електрична ємність Сел ;

тангенс кута діелектричних втрат tg ;

полярність п’єзокерамічних елементів і перетворювачів;

механічна міцність перетворювачів та п’єзоблоків;

герметичність перетворювачів;

статична міцність і герметичність перетворювачів під дією зовнішнього повітряного або гідростатичного тиску та рідини.

2. Визначення та зміст деяких обов’язкових для перевірки параметрів:

o Внутрішній опір при сталому струмі RBH – електричний опір

активного елемента при сталому струмі, що протікає через нього;

o Опір ізоляції перетворювача RІЗ – електричний опір при сталому струмі між електричними виводами перетворювача, а також між виводами і металевим корпусом або корпусними частинами або рідиною;

o Електрична міцність ізоляції перетворювача – це властивість перетворювача витримувати випробувальну електричну напругу заданих величини і частоти протягом заданого часу без виникнення пробою, поверхневих перекриттів і звуків від інтенсивних часткових розрядів, які явно чути;

o Електрична ємність Сел – це ємкість між електричними виводами п’єзокерамічних активних елементів або перетворювачів;

o Тангенс кута діелектричних втрат tg характеризує активні електричні втрати п’єзокерамічних активних елементів та перетворювачів;

o Полярність п’єзокерамічних елементів і перетворювачів. В якості чутливих елементів в сучасних перетворювачах використовуються п’єзоелектричні матеріали. Це – кристалічні діелектрики, які мають властивість деформуватись під дією прикладеного до них електричного поля. При

5

деформації від зовнішніх механічних зусиль на їх поверхні з’являються електричні заряди. Такі явища називаються п’єзоефектом. П’єзокристалічні матеріали представляють собою полікристалічні текстури, тобто речовини, які складаються із великої кількості мікрокристалів, що зцементовані керамічною зв’язкою. Полярні вісі окремих кристаликів розміщенні хаотично. Тому п’єзокераміка в неполяризованому стані не володіє п’єзоефектом. Якщо до п’єзокерамічного зразка прикласти сильне стале електричне поле напруженістю 15–20 кВ/см, то полярні вісі кристаликів переорієнтуються в напрямі поля і збережуть цю орієнтацію після припинення дії поля. П’єзокерамічний зразок при цьому здобуває п’єзоелектричні властивості, тобто п’єзоефект. Така обробка п’єзокерамічних зразків в сильному сталому електричному полі називається поляризацією п’єзокераміки. На рис.1.1 зображено розміщення доменів (областей кристаликів): а) до поляризації; б) після поляризації;

Рис. 1.1 Поляризація п’єзокерамічних зразків

o Механічна міцність перетворювачів та п’єзоблоків.

Розрізняють динамічну і статичну міцності перетворювачів і п’єзоблоків. П’єзокераміка є крихким матеріалом з великою кількістю випадкових дефектів, які утворюються при спіканні. Ці особливості визначають великий розкид міцностних характеристик п’єзоелементів, а також їх більш високий опір стисненню, ніж розриву (границя міцності при стисненні приблизно в 16 разів більша границі міцності при розтягуванні). При тривалій дії як статичних, так і динамічних, якими є циклічно змінні, напружень в об’ємах п’єзокераміки накопляються випадкові пошкодження, які залежать від діючих в цих об’ємах напружень.

Механічні динамічні напруження в перетворювачах створюються електричною напругою, збуджуючою перетворювач, і розігрівом перетворювача при його роботі. Максимальні механічні динамічні напруження залежать від питомої випромінюваної потужності, питомого опору п’єзокераміки, ступеню навантаження перетворювача і його форми коливань.

o Статична міцність перетворювачів – це міцність в умовах, що створюються експлуатацією. Перш за все це зовнішній тиск – повітряний або гідростатичний. Величина механічних напружень, які створюються в перетворювачі зовнішнім тиском, залежить від виду напруженого стану конструкції перетворювача і способу його закріплення.

3. Методи перевірки параметрів п’єзокерамічних активних елементів і перетворювачів.

6

Вимірювання внутрішнього опору сталому струму RBH активних елементів і перетворювачів здійснюється за допомогою тераомметрів типів ЕК6-7 и Е6-10 або мегаомметрами типу МС-0,5 и МС-06. Тераомметри застосовуються для заміру RBH п’єзоелементів або перетворювачів з робочою напругою до 500 В, а мегаомметри – при робочому напруженні більш ніж

500В.

Заміри RBH мають здійснювати з точністю ±20%. Перед заміром зразок

необхідно витримати при нормальних умовах (t=20±5°С, вологість не більше 65%) не менше 24 годин. Напруга на зразку при здійсненні заміру має подаватися на протязі 1 хвилини, і тільки після цього слід записати показники приладу. Виводи «+» і «-» приладу підключають до відповідних виводів перетворювача.

Опір ізоляції перетворювача RІЗ , тобто опір між виводами перетворювача, а також між виводами й металевим корпусом, вимірюють тераомметрами й мегаомметрами, які вибираються залежно від робочої напруги перетворювача.

При вимірі RІЗ між виводами й корпусом «-» мегаомметра підключається до металевого корпуса, а «+» мегаомметра – до з’єднаних разом виводів перетворювача. Напруга подається протягом 15 секунд, після чого виробляється запис показань приладу.

Електрична міцність ізоляції перетворювача перевіряється змінним струмом. Для цього необхідно виміряти опір ізоляції й переконатися, що він відповідає нормі. Звичайно величина опору ізоляції становить 5 МОм і більше. Частота й величина випробувальної напруги, а також місця підключення випробувальної установки вказуються в технічній документації на перетворювач.

Перевірка електричної міцності ізоляції проводиться на спеціальній дослідній установці. Погрішність випробувальної напруги не повинна перевищувати ±5%. Зразок вважається таким, що витримав випробування, якщо в ході його випробувань не відбулося спадання напруги.

Вимір електричної ємності Сел і тангенса кута діелектричних втрат tg п’єзокерамічних елементів і перетворювачів здійснюється на будь-якому вимірювальному мосту, що на вимірювану ємність подає напруга не більше 10 В. Точність виміру по тангенсу кута діелектричних втрат повинна становити ±10%, а по ємності – не менш ±1%. Виміри проводяться на частоті 1000 Гц.

Вимір ємності й тангенсу кута діелектричних втрат можна робити мостом типу МЛЕ-1. Якщо ємність вимірюваного зразка менше нижньої межі виміру використовуваного мосту, то до вимірюваного зразку підключається додатковий конденсатор з відомими значеннями ємності Cел , і тангенса кута діелектричних втрат tg .

Мостом виміряються сумарні величини C і tg для паралельно підключених ємностей – вимірюваної Cx і додаткової Cдоб . Значення Cx і tg х

визначаються за формулами:

Cx С Сдоб ;

7

tg х tg Cдоб tg tg доб . C

х

Контроль полярності п’єзокерамічних елементів або перетворювачів здійснюється за допомогою осцилографа або гальванометра.

Для вимірів елемент або перетворювач установлюють на прокладці з пористої гуми. Вивід перетворювача з маркуванням «+» підключають до клеми «вхід», а вивід з маркуванням «-» підключають до клеми «земля» осцилографа. При використанні гальванометра виводи «+» і «-» перетворювача підключають до однойменних клем гальванометра.

Полярність елемента або перетворювача визначається легким постукуванням по активній поверхні. При правильному маркуванні виводів перший викид на екрані осцилографа буде спрямований нагору від лінії розгорнення.

Якщо для контролю полярності використовується гальванометр, то при правильному маркуванні виводів перший кидок показання гальванометра при натисканні на активну поверхню повинен бути убік, що відповідає позитивному знаку виникаючого заряду.

Перевірці на механічну міцність піддають суцільні й секціоновані елементи циліндричних перетворювачів, а також неармовані п’єзоблоки. У процесі цієї перевірки виявляються приховані дефекти окремих елементів або дефекти, що з’явилися при їхньому склеюванні й обробці.

Перевірка механічної міцності циліндричних активних елементів здійснюється збудженням в них напруг розтягування-стискання, що міняються по симетричному циклу при резонансних коливаннях системи.

Механічні напруги, що виникають в активному елементі в процесі перевірки, контролюються струмом, що протікає через активний елемент. Схема подачі електричної напруги на активний елемент і виміри струму, що протікає через нього, залежить від розмірів і електрофізичних параметрів перетворювача й вказується в технічній документації.

Перевірка герметичності перетворювачів внутрішнім повітряним тиском здійснюється шляхом занурення перетворювача в бак, наповнений водою. Після занурення перетворювача в його внутрішню порожнину подається повітряний тиск, величина якого вказується в кресленні.

Випробування на герметичність внутрішнім повітряним тиском тривають 15 хвилин. По появі або відсутності повітряних пухирців у воді визначають герметичність перетворювача.

Гідростатичні випробування зовнішнім тиском остаточно зібраних перетворювачів здійснюються в гідробаках. Перед випробуваннями вимірюють внутрішній опір постійному струму й опорів ізоляції перетворювача. Перетворювач розташовують у гідробаці, кінці приєднувальних проводів виводять назовні через отвори сальників гідробака й затискають у сальникових ущільненнях. Після наповнення бака водою здійснюють повторні виміри внутрішнього опору постійному струму й опору ізоляції перетворювача. Якщо заміряні параметри відповідають вимогам ТУ, гідробак закривають кришкою й

8

піднімають у ньому гідростатичний тиск до Р1ісп 1,25 РрабХ , де РрабХ – робочий

тиск випробуваного перетворювача, Н/м2.

Під тиском Р1ісп перетворювач витримують 15 хвилин, після закінчення чого роблять вимір опору ізоляції. Після цього тиск у гідробаці знижують до нормального й знову піднімають до значення Р2іспХ РрабХ .

Під тиском Р2іспХ перетворювач витримують протягом 24 годин,

здійснюючи при цьому проміжні виміри опору ізоляції перетворювача через 8 і 16 годин. Після закінчення 24 годин витримки під тиском Р2іспХ тиск у гідробаці

знижують до нормального й знову роблять вимір опору ізоляції. Перетворювач вважається таким що витримав гідростатичні випробування,

якщо при його зовнішньому огляді не виявлені механічні ушкодження, а його опір ізоляції й внутрішній опір постійному струму під час випробувань перебували в межах величин, наведених в технічній документації.

Контрольні питання

1.Чим відрізняються між собою розглянуті перетворювачі? Дайте коротку характеристику кожному з них.

2.Наведіть перелік обов’язкових параметрів, які є необхідними для контролю якості виготовлення перетворювачів або їх активних елементів та перевірки стану їх працездатності в процесі експлуатації.

3.Дайте коротку характеристику та визначення обов’язкових параметрів, за допомогою яких контролюють якість електричної частини електромеханічного перетворювача.

4.Дайте визначення та коротку характеристику параметрів, контроль яких визначає якість механічної частини електромеханічних перетворювачів.

5.Охарактеризуйте методи перевірки внутрішнього опору сталому струмі RBH та опорів ізоляції RІЗ перетворювачів та їх активних елементів.

6.Охарактеризуйте методи перевірки електричної міцності ізоляції перетворювачів та полярності п’єзокерамічних елементів перетворювачів.

7.Охарактеризуйте методи перевірки електричної ємності Сел та

тангенсу кута діелектричних втрат tg активних елементів та перетворювачів.

8.Охарактеризуйте методи перевірки механічної динамічної міцності перетворювачів і активних елементів.

9.Охарактеризуйте методи перевірки механічної статичної міцності перетворювачів.

10.Охарактеризуйте методи перевірки герметичності перетворювачів, що працюють в рідині.

9

Лабораторна робота №2

Детальне ознайомлення з методами контролю електричних параметрів: полярності, ємності, тангенсу кута діелектричних втрат, внутрішнього опору сталому струму і опору ізоляції зразків.

Придбання навиків практичного застосування цих методів

Мета роботи

1.Вивчення загальних вказівок при виконанні вимірювальних робіт.

2.Вивчення методів контролю ряду параметрів зразків. Під зразками розуміються: п’єзокерамічні перетворювачі, блоки перетворювачів; активні елементи перетворювачів. Параметри, що вимірюються:

полярність зразків;

електрична ємність;

тангенс кута діелектричних втрат;

внутрішній електричний опір сталому струму;

електричний опір ізоляції зразків.

3. Придбання навичок практичного застосування перерахованих методів шляхом виконання вимірювань параметрів конкретних зразків.

Завдання № 1 (2 години)

1.Вивчити загальні вказівки, обов’язкові для застосування при виконанні вимірювальних робіт.

2.Вивчити методи контролю ряду параметрів зразків. Ознайомитись з інструкціями застосування необхідних вимірювальних приладів.

3.Скласти письмовий технічний звіт згідно з вимогами ЄСКД.

Зміст технічного звіту по завданню №1

1.Письмовий виклад загальних вказівок.

2.Письмовий виклад кожного методу контролю з вказівкою про вимірювальні прилади, що застосовуються.

Завдання № 2 (3 години)

1.Придбання навичок практичного застосування перерахованих в меті роботи методів вимірювань параметрів зразків. Для цього:

1.1.Вибрати необхідні вимірювальні прилади.

1.2.Зібрати необхідні вимірювальні стенди.

1.3.Виконати вимірювання параметрів поданих зразків.

1.4.Виконати обробку одержаних експериментальних результатів.

2.Скласти письмовий технічний звіт згідно з вимогами ЄСКД.

Зміст технічного звіту по завданню №2

Письмово викласти результати робіт по п. 1.1-1.4.

10