Ćwiczenie 3 badanie własności przetwornikóW (impedancja, odpowiedź impulsowa) Wprowadzenie



Pobieranie 29.12 Kb.
Data07.05.2016
Rozmiar29.12 Kb.

Ćwiczenie 3

BADANIE WŁASNOŚCI PRZETWORNIKÓW (IMPEDANCJA, ODPOWIEDŹ IMPULSOWA)

1. Wprowadzenie

Istnieje szereg metod pomiaru impedancji: od bardzo prostych, służących wyłącznie do pomiaru jej modułu, do bardzo rozbudowanych mierzących część rzeczywistą i urojoną (np. metody mostkowe) lub moduł i fazę impedancji (pomiar napięcia i prądu oraz fazy miedzy nimi). Cechuje je różne stopienie trudności i komplikacji uwypuklających się szczególnie w przypadku gdy istotny staje się relatywnie krótki czas pomiaru. Nie mogą tu być stosowane bardzo dokładne lecz czasochłonne metody mostkowe. Często, np. w trakcie kontroli technologicznego procesu dopasowywania akustycznego przetwornika, zachodzi konieczność systematycznego powtarzania badań co w zasadzie wyklucza możliwość stosowania bardzo dokładnych lecz czasochłonnych metod mostkowych. W takim przypadku wygodnie jest oprzeć się na szybszym, choć mniej dokładnym, badaniu modułu impedancji i jej fazy. Pomiar samego modułu impedancji może być przeprowadzony bez większych trudności, choć w niektórych przypadkach – szczególnie dla przetwornika nieobciążonego – jego duża dynamika zmian (w funkcji częstotliwości) może go nieco komplikować. Natomiast, dokładny pomiar fazy zazwyczaj stanowi bardzo poważny problem - szczególnie dla wyższych częstotliwości.



2. Metoda pomiaru impedancji

Najczęściej pomiar impedancji ogranicza się do badania jej modułu. Najprostszym sposobem jego pomiaru jest badanie spadku napięcia w układzie dzielnika impedancyjnego jak na rys.1 [Z. Jagodziński]. Aby uniknąć konieczności pomiaru fazy dobiera się tak dużą wartość opornika R by wyłącznie jego wartość oraz wartość napięcia U1 decydowała o prądzie płynącym w obwodzie. Warunek ten osiąga się gdy R jest dużo większe od modułu impedancji badanego przetwornika. Jest to typowy układ stało-prądowy w którym amplituda prądu płynącego przez przetwornik nie zależy od jego parametrów a jedynie od R.





Rys.1 Stało-prądowy układ do pomiaru modułu impedancji (admitancji)

W takim układzie, moduł impedancji przetwornika ZT jest proporcjonalny do napięcia U2 - r.1.



dla R>> abs(ZT) (1)
Warunek R>> abs(ZT) nie zawsze jest łatwy do spełnienia – ma to zazwyczaj miejsce gdy badaniom poddaje się niezabudowany i nieobciążony element ceramiczny przetwornika. Moduł impedancji takiego elementu może zmieniać się, w okolicy rezonansu z bardzo dużą dynamiką od pojedynczych do kilku milionów Ohmów. Rozwiązaniem jest tu uzupełnienie pomiarów w układzie stało napięciowym. Układ taki przestawiony jest na rys.2. W tym przypadku R powinna być dużo mniejsza od modułu impedancji przetwornika (abs(ZT)).


Rys.2 Stało-napięciowy układ do pomiaru modułu admitancji (impedancji)

W przypadku stało-napięciowego układu pomiarowego, moduł admitancji przetwornika jest proporcjonalny do napięcia U2 – r.2.



dla R<< abs(ZT) (2)

Wadą tego układu jest fakt, że nie może on być stosowany w warunkach gdy miernik napięcia U2 oraz przetwornik i generator muszą mieć wspólną masę.

Na rys.3 pokazany jest typowy przebieg modułu admitancji przetwornika piezoelektrycznego.


Rezonans przetwornika fr

f

Ye

Rys.3 Moduł admitancji przetwornika piezoelektrycznego


Na podstawie kształtu modułu admitancji, a dokładniej z nachylenia prostej do której on zmierza (poza rezonansem), można wyznaczyć wartość pojemności elektrycznej przetwornika - Cerys.3. Mianowicie: Ye= 2fCe. Charakteryzuje ona własności przetwornika poza rezonansem.

Pojemność tę można również wyznaczyć mierząc ją w typowy sposób - za pomocą dowolnego miernika pojemności na niskiej częstotliwości (daleko od rezonansu).

W ćwiczeniu korzysta się z systemu mierzącego napięcia U1 i U2 oraz fazę między nimi (rys.1). Pomiar fazy umożliwił odejście od warunku stałoprądowego (stałonapięciowego). Impedancję tj. jej część rzeczywistą i urojoną wylicza się ze wzoru 3.

, (3)

gdzie:

, (4)
Obliczenia te są dokonywane przy pomocy programu MATLAB
3. Zadania

3.1Uruchomić komputer i włączyć zestaw laboratoryjny (oscyloskop i generator) do pomiaru modułu impedancji przetwornika. W celu włączenia oscyloskopu i generatora należy: na pulpicie komputera wybrać ikonę PC-lab 2000se, Sprawdzić ustawienie (skorygować) USB Device (PCS U 1000 i PCG U 1000) , LPT Device (None).

3.2 Podłączyć zgodnie ze schematem Rys.1 układ do pomiaru modułu impedancji. Podłączyć przetwornik nieobciążony.

3.3 Wybrać w menu oscyloskopu krok i częstotliwość liniowo zmienną (odhaczyć zaznaczenia log) opcje pracy Circuit Analyzer i ustawić Vertical Scale Volts, V Range 1V, Frequency Range 1MHz, Frequency Start 10kHz. W zakładce Options wybrać Frequency Step Size i ustawić Frequency step 50%.



    1. Uruchomić pomiar (Start). Zapisać wyniki pomiaru w pliku tekstowym i jako obraz (Save Image) w komputerze.

    2. Obliczyć moduł admitancji oraz go wykreślić, można np. posłużyć się programem MATLAB skryptem B4.m (jak w załączeniu).

UWAGA należy przed załadowaniem pliku do matlaba usunąć nagłówki.

    1. Na podstawie uzyskanego wykresu modułu admitancji wyznaczyć częstotliwość rezonansową przetwornika i jego pojemność zastępczą Ce - rys.3.

    2. Zmierzyć i zanotować pojemność przetwornika za pomocą mostka na częstotliwości 1kHz i 120Hz.

    3. Powtórzyć pomiary z p.2.5 przy zadeklarowanym kroku 100% i zatrzymać przyciskiem PAUSE proces pomiarowy przed częstotliwością rezonansową (należy dokonać to dla częstotliwości ok. 10% mniejszej od częstotliwości rezonansowej). Zmienić ustawienie w Opcji Frequence Size 20% na wartość 1% . Wybierając myszą ponownie PAUSE uruchomić dalszy proces pomiarowy i ponownie go zatrzymać dla częstotliwości powyżej rezonansowej (np. o 10% wyżej). Dalej kontynuować pomiary z krokiem 100%. Jeżeli obszar dokładnego pomiaru został niepoprawnie wybrany to należy ponownie przeprowadzić pomiary w zweryfikowanym obszarze. Obraz i plik danych zapisać w komputerze

    4. Powtórzyć pomiary z p. 2.5 i 2.9 dla przetwornika obciążonego (przetwornik zanurzony w oleju).

  1. Opracowanie

    1. Zamieścić wykresy przetwornika nieobciążonego i obciążonego

    2. Zamieścić wnioski i komentarze.

  2. Literatura

[1] R.J. Bobber, „Underwater electroacoustic measurements” 1970.

[2] Jagodziński Z. „Przetworniki ultradźwiękowe”, WKŁ, Warszawa 1997.

[3] Jagodziński Z. „Mechanical or Electromechanical Resonance”, Acoustica, vol.23 /1970

[4] H.W. Katz, „Współczesne elementy magnetyczne i dielektryczne” WNT W-wa 1963.

[5] Nowicki A. „Podstawy ultrasonografii dopplerowskiej”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1995.

[6] Salamon R.: „Systemy hydrolokacyjne”, Gdańskie Tow. Nauk., Gdańsk 2006,

[7] Śliwiński A. „Ultradźwięki i ich zastosowania” – wydanie drugie, zmienione, WNT, Warszawa 2001.

DODATEK - Pomiary dwójnikowe

'impedancja'

clear

close all



%PROGRAM DO WYKREŚLANIA IMPEDANCJI ELEKTRYCZNEJ

%ZMIERZONEJ W UKŁADZIE VELLEMAN

[plik,sciezka]=uigetfile('*.*','Wybierz plik do obróbki');

if any(sciezka)==1

[dane]=load(setstr([sciezka,plik]));

end


Ug=input('podaj napięcie na generatorze Ug[V]pp = ');

Ug=Ug/2/sqrt(2);

Rd=910;

f=dane(:,1); UV=dane(:,2); UdB=dane(:,3); faza=dane(:,4);



%Rd=input('Rd oprnik szeregowy np. 803 = ');

fi=faza*pi/180;

G=(Ug*cos(fi)./UV-1)/Rd; B=-Ug*sin(fi)./UV/Rd;

R=G./(G.^2+B.^2); X=-B./(G.^2+B.^2); Z=sqrt(R.^2+X.^2); Y=sqrt(G.^2+B.^2);

plot(f,R)

grid


[m,n]=max(R); Rn=R-R(n)/2; [m,n1]=min(abs(Rn(1:n)));

[m,n2]=min(abs(Rn(n:length(Rn))));

fr=f(n)

f1=f(n1)


f2=f(n+n2)

plot(R,X)

grid

title('X(R)')



xlabel('R[Ohm]'); ylabel('X[Ohm]')

figure


plot(f,Z)

grid


title('moduł impedancji')

xlabel('f[Hz]'); ylabel('Z[Ohm]')

figure

plot(f,R)



grid

title('R(f)')



xlabel('f[Hz]'); ylabel('[R[Ohm]')

zaoczne-ultradźwięki w medycynie 3 07/05/2016





©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna