Добрый день.
Имеется УЗ датчики фирмы murrata
40 кГц
MA40S4S - передающий
MA40S4R - приемный

Как рассчитать/измерить добротность датчиков?
(вероятно это будет добротность электрической схемы замещения, если иметь ввиду расчет)
Буду рад любой информации.

Элементарно. добротность - количество периодов за которые амплитуда затухающего колебания упадет в е=2,718 раз.

У меня есть только датчик и его параметры.

1. Я на вход ПРД должен подать затухающее колебание? Или на выходе я должен увидеть затухающее колебание Какие параметры должны быть у входного сигнала?
2. На ск. я понимаю, измерить я могу сигнал только на приемнике. Таким образом это будет добротность передатчика и приемника. Как их разделить - даже предположить сложно.
3. Есть к.л. методики расчета?

Если у вас есть параметры, то читайте определение добротности через полосу пропускания.

1. Подать ступенчатое воздействие. Например щелкнуть или стукнуть по приемнику жестким стержнем или подать электрический импульс.
2.Читайте определение добротности - это физическое свойство приемника или передатчика. При использовании в системе оно конечно изменится.
3. Теория колебательных контуров или любой колебательной системы.

У вас мне кажется гугл не работает? Первая же страница http://bog5.in.ua/lection/vibration_lect/lect4_vibr.html, http://edu.tltsu.ru/er/book_view.php?book_...mp;page_id=3855 и т.д.

Спасибо большое.
Да, могу подать импульс на ПРД и записать осциллограмму на ПРМ.
1. Входной импульс д/б в виде одной ступеньки?
В ссылке что Вы привели там везде пачка импульсов. Т.е. можно подать пачку импульсов резонансной частоты, и по "хвосту" осциллограммы (там где импульсы на входе уже закончились) на ПРМ оценить добротность? Или всеже правильнее будет одна ступенька?
2. Допустим измерили таким образом добротность. Но это же будет добротность системы ПРД+среда распространения УЗ волны+ПРМ. Правильно?
Как отдельно измерить параметры для ПРД и ПРМ? Или тут только теоретический расчет?

измерители мощности ультразвука есть. но они основаны не на электрике.
Т.е. если хотите развязать систему ПРД/ПРМ, то развязывать вам её придётся по правилам метрологии - через физику среды распространения.
и это... можно узнать, зачем вам именно добротность? может, вам надо КПД? или как?

да, но только на один УЗ-элемент и на нём же смотреть.

Разговор слепого с глухим. Еще раз скажу - читайте теорию и разбирайтесь, к сожалению, либо вы не понимаете фундаментальных основ, либо у вас теория никак не соотносится с практикой - тогда пробуйте, думайте что у вас получается, штудируйте литературу и так по кругу, пока не наступит просветление. В интернете есть много лабораторных работ по УЗ-элементам, попробуйте их самостоятельно провести.


Нет. Если вы измеряете добротность одного УЗ-элемента, то да, часть энергии улетит в воздух, но это мизер по сравнению с оставшейся. Если вам нужны точные цифры, то надо элемент поместить в вакуум, только зачем? С другой стороны, вы же не будете его в вакууме использовать.

Спасибо всем за помощь!

1. Посмотрел измерители мощности УЗ. Такой себе в личное пользование не купишь.
2. Сравниваю (пытаюсь) теорию и практику. Практика есть, хочу теоретически получить нечто похожее. Вот первое за что взялся - это резонансные свойства датчиков.

На его же выводах? НА вход подаю и на этих же выводах смотрю? Это так?

К этому вопросу еще дополнительный. В литературах приводится эквивалентная схема вида:

Везде приводится, но подробно не описывается. Написано что это "эквивалентная схема Мэйсона". Гугл по данному имени дал почти ничего.
Расчет частотных свойств и тд и тп по этой эквивалентной схеме возможен?
Литература есть про схему и про Мэйсона?
Плюс также не совсем понятно: тот же вопрос - входные клеммы они же и выходные, я правильно понимаю схему (см.рис.ниже)?



На счет познания вы правы. УЗ "балуюсь" на практике давно, а вот чтоб с теорией сравнить . . .
На счет лабораторных, посмотрел в сети. Их там и правда огромное количество.
Поэтому возникло затруднение с выбором.
Не подскажите к.л. практикум по УЗ датчикам, в которых есть лабы связанные с АЧХ и добротностью датчиков?

Точно так. Только электрически такое делать неудобно - слишком большой разброс уровней, проще механически щелкнуть и смотреть напряжение на выводах осциллографом.


Да с ограничениями - рассчитываете только колебания одного вида и одного резонанса, в реальности там смесь различных видов колебаний и множество резонансов.
У мюратовских может быть еще сложнее, насколько я помню там радиальные колебания пьезорезонатора и резонансная мембрана.


А есть варианты? У мюратовских датчиков только два вывода.


Не знаю. Подойдет любая лабораторная, не обязательно по УЗ, но и по колебательным или резонансным контурам.

Ясно. Т.е. просто датчик без к.л. обвески? И еще вопрос что значит щелкнуть? Щелбан достаточно? Или может ложкой? Опишите пожалуйста?

Ужас как много непознанного.

Логично предположить что нет. ПРосто когда сталкиваешься с ч.л. первый раз в жизни, подумать можно много разного.
К примеру верхняя точка вход (отн.земли), нижняя точка - выход.

Спасибо.

Подключите осциллограф и экспериментируйте, только начинайте с малого
У меня пьезоэлемент на 100кГц слышит щелчок двумя пальцами, правда получается где-то 1-2мВ, у вас должно быть побольше.

Добрый день.
Вопрос по литературе.
Не могу ответить правильно или нет, некоторые журналы (не буду конкретизировать) при написании статей не разрешают ссылаться на pdf-ки (мануалы на компоненты).
Будто бы должен быть справочник.
Так вот мне нужен справочник по пьезоэлектрическим датчикам (типа MA40S4S®).
Есть ли такой?
Может есть какой-то справочник с аналогами?

PS: на крайняк хоть какой-нибудь справочник, просто чтоб написать к.л. ссылку.

ГОСТ ничего такого не ограничивает.
Напечатайте на принтере даташит, назовите "Пьезоэлектрический датчик такой-то. Параметры." и смело вписывайте в перечень
Скачайте каталог http://www.elpapiezo.ru/ или http://avrora-elma.ru/#catalog распечатайте и на него сошлитесь.



Малов В.В. Пьезорезонансные датчики М.:Энергоатомиздат 1989 2-е изд., перераб. и доп.

Спасибо.

В продолжение темы: Вы пишите про приемник. А для передатчика как быть? Также "щелкнуть" и по осциллограмме определить добротность?

А чем он отличается от приемника? Такая-же электромеханическая система реагирующая на воздействие.

Наконец "пришли" датчики.

Подключил осциллограф. Пол дня сижу "щелкаю" разными предметами.
Это (см.ниже, осц.1, осц.2) самое идеальное, что получилось сделать.


В 99,9999% случаев получается хаос (осц.3, хотя конкретно этот хаос еще вполне себе аккуратненький)


Возможно по первым двум картинкам рассчитать добротность? Понятно, что рассчитать можно что угодно.
Можно надеяться, что это рассчитанное значение будет адекватным и соответствовать реальности?

PS: А вообще, может кто-то уже считал добротность этих датчиков, или близких к ним?

А вы сами-то пробовали? Всё уже написано как измерять, вот попробуйте и расскажите.
По выложенным картинкам нельзя. Не видно периодов.

Добротность каких датчиков имеется ввиду?

1. Вот пытаюсь.
2. Если растянуть до состояния где видны периоды то в целом сигнал затухающий, но имеют место биения амплитуды
http://ok-t.ru/life-prog/baza2/24340581176...es/image772.gif
Что-то типа того как на картинке по ссылке, но сигнал в узлах не просаживается до нуля, т.е. глубина биений очень маленькая. К сожалению осциллограмму пока выложить не могу, как будет возможность, сразу заменю ссылку с картинкой на осциллограмму.
3.
УЗ датчик фирмы murrata
40 кГц
MA40S4S - передающий
MA40S4R - приемный

На ваших картинках биения не очень большие, отлично видно спад амплитуды.

Посмотрите определение добротности параллельного колебательного LC-контура.
Из приборов - перестраиваемый генератор на соответствующий диапазон + ВЧ вольтметр
переменного тока или осцилограф. В идеальном случае - эти приборы заменяютя индикатором АЧХ.

В двух словах - добротность контура прямо пропорциональна "остроте" резонансного пика.
Вычисляется как (плохо помню) некое отношение амплитуды пика к ширине на определенной амплитуде (кажется 0.7 от максимума).
Для пьезоэлементов должно быть где-то аналогично (не интересовался этим за ненадобностью).

Осциллограмма где видны биения, выкладываю как обещал.

Хех, а где расчет добротности? В самых первых сообщениях я писал как считать.
Считайте сами, показываете результат и как получили, тогда можно и обсудить.

Несомненно.

Вопрос по эквивалентной схеме замещения! Чето я запутался совсем в мануалах.

Электрическая схема замещения пьезо датчика (нижняя схема), это только схема замещения электрической части?
Что я имею ввиду.
Хочу построить АЧХ вход-выход. (Uвх-Sвых, верхняя схема). S - УЗ сигнал
Она получается не будет "равна"/"эквивалентна" схеме замещения (нижняя схема)?
И получается по ней нельзя построить АЧХ и сравнить с мануалом? Это будут разные не сравниваемые сущности?

Экстраполируя мои знания по наушникам - да, это совершенно разные сущности

Доброй всем ночи, уважаемые.
Вот только теперь появилась возможность вернуться к хобби.
Возвращаясь к расчету добротности: логарифмический декремент затухания (ЛДЗ) рассчитывается исходя из разницы амплитуды сигнала со сдвигом на один период.
Расчет ЛДЗ
Т.е. на сколько оно "затухло" за период. Дело в том, как писалось выше, что имеются малые биения с частотой раз в 5 ниже, чем резонансная частота. Выше, форумчанами отмечалось, что частота биений мала. Проделал расчеты со сдвигом в 1 период резонансной частоты. Расчет дает в разных точках абракадабру. Явно видно, что биения мешают. Вопрос: правомерно ли рассчитывать ЛДЗ со сдвигом 5 периодов?. Как изменится при этом формула для вычисления ЛДЗ?

Теоретически надо провести огибающую линию через нулевые точки биений и вычислите декремент, но с тем же успехом можно провести линию через максимумы биений или минимумы. Вот, если бы частоты были близкие, то сложнее, а у вас проще простого.

1. Вы имеете виду просто руками соединить максимумы? Численного метода наверно не существует для этого дела?
2.А если попробовать отфильтровать биения? Это наверно исказит расчет ЛДЗ и вероятно этого делать нельзя?

1.Да, а разве по картинке не видно? почитайте теорию, как складываются разные частоты, или например по преобразованию Фурье прямоугольного сигнала.
Численный метод чего?
2.Можно. Зависит от фильтра.

Биения с низкой частотой имхо паразитный резонанс, есть у всех пьезоэлементов.
Насчет добротности... измеряйте как у обычного контура. Генератор, вольтметр и вперед. Вас имхо интересует электрическая добротность поскольку потери излучателя на раскачку среды в конечном счете вылезут именно на электрической добротности.

1.1 Ну видно конечно, хочется расчетных значений, а не графических.
1.2 Под численным методом я имел ввиду нахождение в сигнале "этих" максимумов которые потом соединил и получилась затухающая апериодическая.
2. А можно подробнее? От чего конкретно зависит? Явно он не должен вращать фазу основной частоты. Это первое что приходит в голову.
Еще что можно отметить?


"Генератор, вольтметр и вперед" - это как? Согласно описанному в первых постах темы - генератор у меня это просто звук извлеченный чем-либо. (щелчек/итд/итп)
А на счет раскчки и потерь можно подробнее? Как это учесть?
Дело в том что согласно электрическим параметрам Q=примерно 40.
Первые расчеты следующие:

1 - Сигнал + огибающая
2 - Огибающая и огибающая сдвинутая на 1 период основной частоты (для последующего расчета ЛДЗ)
3 - черн - ЛДЗ, красн - добротнось.
Во-первых значения Q отрицательные, почему? Что не верно делаю.
Во-вторых, даже если брать модуль, то получается в среднем Q=2, что явно на много меньше 40.
Огибающая чуть выше сигнала, т.к. рассчитывал огибающую от модуля сигнала, а т.к. сигнал чуть смещен вниз по постоянному напряжению, то вот так получается. но как я понимаю на характер затухания оно не влияет. Или не прав?
Очень жду комментариев. С уважением.

Вы так и не осознали прочтенный материал
Делается вот так:
красный - огибающая
желтый - уровни, первый 0,275В, второй 0,275В/е = 0,1В
Считаем количество периодов от первого уровня до второго, получаем Q = 38
Огибающую провел по максимумам пульсаций, точно такую же цифру получите если проведёте огибающую по центрам или по минимумам пульсаций.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

bravissimo предлагал второй вариант:
Снимаете АЧХ генератором и вольтметром
и считаете простую формулу Q = F/dF = f0/(f2-f1)
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Шикарно, спасибо. Я понял. Думал так считать, но просмотрев 3 - 4 лабораторных практикума разных вузов, . . . везде бралось через период основной частоты. В посте, в середине обсуждения спрашивал, правомерно ли считать ЛДЗ не через 1 период, а через несколько (там было 5) периодов. А тут все предельно ясно, спасибо.

По тому что предлагал bravissimo. С формулами тоже все ясно, HardEgor, спасибо за разъяснения. Вопрос для расширения кругозора: как правильнее снять АЧХ у пьезодатчика? Генератор - источник УЗ, вольтметром измеряем напряжения на выводах? (но генератор УЗ взять негде)
Можно ли так: генератор - источник напряжения на выводах, и чем-то (не ясно чем) измерять отклик? Другим датчиком?
Так можно измерять?

А что про потери на "раскачку", которые "вылезут на электрической добротнсти"?
Почитал про датчики и их схемы замещения, пока дело идет про электричество - все ясно (мне). Как только дело доходит до эл.аналогий и начинаются упругости материала (и еще куча разных терминов со 2 курса физики), сразу все становится не понятно.
Где почитать про это? (по возможности где по проще написано)

Спасибо.

потери на раскачку...:-) Ну как бы про Ваш уз датчик , чтоб он что то излучалв окружающую среду в смымле перекачивал в нея энергию надобно чтоб он был связан с этой самой средой. А зачицца онный датчик уже не свободный контур с минимальными потерями, а нечто весьма малодобротное в идеальном случае и поглотителем этой энергии является окружающая среда в которой он должен быть когласовпн по сопротивлению излучения. Как у любой антенны, совершенно тте же зависимости. Это думаю очевидно. Причем в силу принципа взаимности опять же это касается и приемных антенн.
насчет замера добротности... зачем Вам уз генератор? Пардон, но Вы забыли что обратимость является полной. В том числе и в направлении электро... - акустика.:-) Соответственно Вам абсолютно все равно с какого конца вести замеры, акустического или электрического?
Вот и меряйте как Вам удобно. А удобно имхо - как чисто электрический элемент. Т.е. берете звуковик(?),влльтметр и меряете как обычный электрический контур. Получите ?лектрическую резонансную характеристику нагруженного контура (окружающей средой) абсолютно подобную акустической. В соответстве с принципом подобия.:-)

А теперь прочитайте сообщение номер 2.


Можно - измеряя ток. Мне кажется мы это уже обсуждали.


Разобраться и понять материал со 2-го курса физики. Не так, что заучить и забыть, а именно читать вдумчиво и стараться понять.
Полезно найти учебники 1920-1960 годов, часто там это более просто объясняется.

В начале разговора наверно не на столько глубоко вкуривал, вероятно не понял. Хотя что тут не понять
Тут я согласен полностью. Время от времени покупаю старые книги по разным техническим тематикам. Дорого конечно.
Авторы, примерные названия?

(по основной теме разговора) . . .
Вопрос 1. для приемника (ПРМ) MA40S4R все получается красиво довольно.
Для передатчика (ПРД) MA40S4S ни разу внятной осциллограммы не получил.
Чтобы добиться равных условий, сделал так, разместил их рядом и на разные лучи осциллографа. Бирюзовый - ПРМ, оранжевый - ПРД.
Получилось так (и это самое лучшее что удалось пока добиться)

Почему сигнал в передатчике странный, имеет большую модуляцию какую-то?

Вопрос 2. Далее сделал следующее. Взял ПРД и ПРМ, источником УЗ сделал не щелчок/стук/удар, а другой ПРД (сиреневый). Разместил на расстоянии ~10 см от принимающих ПРД и ПРМ. Принимающие также рядом друг с другом, чтобы в одинаковых условиях было. При этом также на ПРМ все красиво (бирюзовый), на ПРД (оранжевый) видны пульсации, хотя и на много меньше, чем в первом случае, плюс амплитуда сигнала ПРД на много меньше. Почему оно так? Ведь по теории, по схеме замещения добротность у них отличается совсем чуть-чуть (на память 39 против 41 вроде как).


Вопрос 3. Также обнаружил для себя следующее. Приведены 4 картинки. Сигналы в ПРМ (бирюзовый) почти одинаковые, но при этом обратите внимание длительность сигнала ПРД (сиреневый) разная:
1 - 4 импульса
2 - 8 импульсов
3 - 16 импульсов
4 - 80 импульсов
Для 1-3 допустим понятно: ПРД излучил, до ПРМ долетела волна, принял. Хотя амплитуда ПРМ разная, тоже не совсем ясно.
Для 4 случая совершенно не понимаю: ПРД излучает, к моменту когда волна дошла до ПРМ, ПРД все еще излучает. Почему амплитуда сигнала в ПРМ начинает падать, как в первых трех случаях? Я всегда понимал так, что амплитуда начинает падать когда волна вся принята (т.е. был внешний источник и перестал), и просто далее идет затухание (рассеивание энергии) в резонансном контуре. А тут получается будто затухать начинает когда волна еще принимается и принимается. Как объяснить данное явление?

потому что по факту в этих датчиках не одна, а несколько непростых резонансных структур:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

И скорее всего он биморфный или триморфный.


10 см мало - это почти ближняя зона, а там всякие чудеса случаются
Дело еще может быть в разных диаграммах направленности или некотором отклонении от максимума - там буквально несколько градусов в сторону и амплитуда может упасть в несколько раз, заодно учитывайте, что диаграммы направленности излучателя и приемника складываются.


Не знаю, у меня нет схемы вашего эксперимента. Проконтролируйте ток в передатчике, может быть он перестал излучать?

Ясно, спасибо. А как тогда добротность определить? Методом о котором мы тут все говорим не получится?
Сколько минимум можно?
Это я все понимаю.
Вот схема:

Максимальный угол, если точно, получается 2.86 градуса.
Диаграмма MA40S4S (штрихпунктир):

При таких углах вроде как затухание еще очень малое.
В смысле, вы имеете ввиду напряжение (импульсы) есть (сиреневый луч осциллографа, а тока в цепи ПРД нет?
Если так, то как ток-то измерить? Шунт поставить, и на нем напряжение смотреть? Ибо что-то думается, включить в цепь ПРД просто мультиметр-амперметр не прокатит. Мне же надо смотреть переходный процесс. Так?

PS: А случаем не могло быть так: ПРД излучает, ПРМ принимает плюс какая-то часть энергии отражается обратно, и отраженный сигнал возвращается назад и начинает как бы глушить ПРД?

Мы говорили о 3-х методах. Почитайте весь тред и выделите их.

Попробуйте почитать книги, там написано. Не менее квадрата радиуса излучателя поделенного на длину волны.

И? Попробуйте сами посчитать, не буду же я за вас всё делать. Сколько на этом углу дБ падения? А теперь то-же самое у приемника. А теперь складываем полученные дБ. Переводим дБ в разы. Заодно разберётесь что такое дециБелы.

И что вам мешает это сделать?

Маловероятно - в воздухе амплитуда очень сильно падает. Проверить просто - отодвигать и смотреть изменение формы и амплитуды, но если вы попали в ближнюю зону, то она может быть причиной.

Иногда удается подобрать ударную массу настолько удачно , что наблюдается спад только одной частоты без биений. Возмите стальной шарик (диаметр 2-3 мм для частоты 40кГц) , приклейте к нему проволочку и ударяйте по датчику. Подберите место и силу удара , чтобы обнулить поперечные колебания и прочие, и , о чудо, можно увидеть спад без биений. Мне удавалось, но , правда, на других датчиках.

Главное предназначение излучателя состоит в преобразовании электрической мощности возбуждающего тока в упругую деформацию волны сжатия-разряжения среды. Если наблюдаются продолжительные колебательные процессы в элементах излучателя, то это означает циркуляцию энергии в самом излучателе - холостой режим работы без нагрузки.
Всё зависит от задачи, которую ТС поставил перед собой. Если его "интересуют" всевозможные резонансные явления в механических узлах и паразитных объёмах излучателя, то в добрый путь в страну любознательных и настойчивых... Если же поставлена задача получения какого-то импульса ультразвуковой волны и регистрации её отражённого сигнала, то по этой части достаточно литературы. Без изучения предыдущих работ в этой области с вероятностью 0.999 ТС будет изобретать уже изобретённое.
Из личного опыта знаком с ситуацией, когда вроде бы всё есть и осталось всего-то спаять, например, усилитель..., но почти всегда оказывалось, что к настоящей работе ещё не приступал, а только убедился в бесперспективности выбранного варианта.
Совет, начните с конечной цели предстоящей работы или задачи. Рассчитайте необходимые параметры излучаемого импульса для получения минимально необходимого импульса в приёмнике и только потом можно приступать к выбору излучателя.

Спасибо за информацию. Меня интересуют характеристики самих датчиков.
Добротность, АФЧХ. (в мануале нигде нет АФЧХ, есть только АЧХ)
Где можно достать АФЧХ?

На счет холостой ход или нет: ПРД висит на выходе микросхемы (посмотрю чуть позже характеристики на выходе), а ПРМ на входе инвертирующего усилителя.

"...На счет холостой ход или нет: ПРД висит на выходе микросхемы (посмотрю чуть позже характеристики на выходе), а ПРМ на входе инвертирующего усилителя..." - Холостой или под нагрузкой относительно среды, в которую должна передаваться энергия колеблющейся пластины кристалла. Колебания поверхности излучателя создают волны сжатия-разряжения акустической волы, которые вносят дополнительные потери или уменьшают добротность.

Да, понял. А есть литература по расчету эквивалентного электрического сопротивления (что-то в духе электромеханических аналогий)

Еще доп. вопрос.
Есть значение добротности и есть АЧХ датчика.
Можно из этих данных состряпать ФЧХ? Или еще что-то необходимо?

Из "значения добротности и АЧХ датчика" "состряпать ФЧХ" невозможно. Из ОТЦ - в АЧХ датчика, в её точном аналитическом выражении, есть зависимости амплитуды и фазы тока от частоты. Осталось только создать точную эквивалентную схему Вашего датчика.

Если бы эта схема было, то и проблемы бы не было.
1. Есть только АЧХ системы.
2. Есть добротность.
3. По АЧХ могу определить ширину АЧХ. (хотя вроде как и не нужно)
4. По общей формуле для резонансных систем вроде как все параметры известны

Нагрузку (окружающая среда для датчика, см.рис. ниже) не знаю.
На АФЧХ она повлияет, но на сколько сильно - пока не знаю. (НА практике, для эл.цепей/фильтров/итд нагрузка не сильно влияет на АЧХ)

Возможно ли учесть среду как в данной статье?

Подробно и понятно написано в других учебниках. Книга 90 Мб свободно скачивается...
Из личного опыта - задача практически нерешаемая из-за множества нелинейных связей между элементами излучателя.

ФЧХ можно увидеть и измерить - надо генератором менять частоту возбуждения и вывести на осциллограф одновременно ток и напряжение. Тогда увидите как при приближению к резонансу сдвиг фаз изменяется и после прохождения меняет знак. Резонансов у пьезоизлучателей бесконечное количество, но многие будет сложно увидеть - очень слабый сигнал.
Аналитическое выражение вы никогда не составите, то что приводят в книгах обычно для главного резонанса.