Тестирование оборудования

Перед проведением серии экспериментальных исследований установка была протестирована на возможность использования выбранного оборудования в заданных режимах работы. На стадии планирования эксперимента была поставлена задача наблюдения петель диэлектрического гистерезиса при выдержке образцов в полях с разным по форме сигналом (синусоидальным и прямоугольным).

В процессе эксперимента варьировалась форма и амплитуда подаваемого с генератора сигнала. Основными формами сигнала, применяемыми на практике, являются синусоидальная и прямоугольная (меандр). При этом основной проблемой настройки приборов для объективного сравнения выходных данных, полученных в разных полях, является правильное задание соответствующих условий, которые позволили бы обосновано сравнивать параметры петель гистерезиса, наблюдаемых при выдержке образца в синусоидальном поле и поле прямоугольных импульсов.

Необходимо отметить, что процессы переключения зависят от максимального (пикового) мгновенного значения напряжения U(t),иными словами, от амплитудного значения напряжения ( U_m = л/ 2 U_βf) . В этом можно убедиться, если рассмотреть методику, предложенную Мерцем, из которой видно, что максимальный ток переключения i_m,характеризующий процесс переполяризации зависит от амплитуды приложенного полевого импульса (в слабых полях: /_П1~е^ч(/Е, где а - константа, называемая «полем активации» и сильных: ∕_m~ Е) [Bapφyτl981, Иона1961]. Таким образом, результаты, полученные в разных полях необходимо сравнивать по амплитудному значению напряжения.

Высоковольтный усилитель TREK 677В

Амплитуда выходного сигнала с генератора усиливалась до значений величины коэрцитивного поля исследуемых материалов с помощью высоковольтного усилитель фирмы Trek.

Необходимо отметить, что в случаях, когда усилитель используется с чисто емкостной нагрузкой и/или с нагрузкой, которая включает элементы, содержащие RC-цепочки, необходимо учитывать выходные конфигурации усилителя и нагрузочную способность по длительному току для того, чтобы достичь требуемого неискаженного выходного сигнала. Искажение выходного сигнала усилителя может проявляться в случаях, требующих высоких пиковых перепадов выходного напряжения. В том случае, если соответствующая нагрузочная способность по длительному току недостаточна высока, чтобы обеспечить нагрузку, как по емкостному току, так и по резистивному, происходит самоограничение усилителя по полосе пропускания. Таким образом, при подключении усилителя к емкостной нагрузке, рабочая полоса частот усилителя ограничена скорее пиковой нагрузочной способностью усилителя по току, чем характеристиками полосы пропуская самого усилителя.

Выходные каскады усилителя обладают определенной емкостью (Ci_nt) по отношению к земле, которая появляется параллельно с выходом высокого напряжения и, таким образом, параллельно с емкостью нагрузки (Cι_oad)∙ Кроме того, емкость Cw, связанная с проводами между выходом усилителя и нагрузкой также появляется параллельно с емкостью нагрузки. Общая емкостная нагрузка на усилитель оказывается равной: C_t=Ci_nt + C_w + Cι_oad∙

Поскольку в данной работе электрическая цепь в схемах имела достаточно большую емкостную нагрузку, связанную в первую очередь с

емкостью самого образца, необходимо было рассчитать максимальную возможность усилителя для работы с конкретными образцами, а также протестировать его с этой же целью. По предложенному производителем алгоритму был произведен соответствующий расчет.

Данная модель TREK 677В обладает внутренней емкостью Cint= 330 пФ. В качестве тестового образца был выбран пьезокерамический образец ЦТС 19 в виде диска с диаметром 2.5 см и толщиной 0.1 см, а также образец в форме параллелепипеда с линейными размерами 5x5 мм и толщиной 1 мм. Характеристики тестируемых материалов представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Характеристики исследуемых образцов

Параметры усилителя при работе с синусоидальными сигналами

Инженеры Trek предлагают следующие формулы для расчета пикового тока: при работе на емкостную нагрузку для синусоидального сигнала I_pβa,k = [Qoαd + QnJ ■ π √ ■ E_p-_p, где I_peak- пиковый ток усилителя, C_toad- емкостная нагрузка, C_int- внутренняя выходная емкость усилителя, f - максимальная выходная частота, U_p._p- размах напряжения на выходе (рис. 2.4). C использованием данных уравнений и характеристик исследуемых образцов были получены зависимости пикового значения тока от амплитуды и частоты подаваемого на усилитель сигнала для образцов разных площадей: 4.9 см² (рис.

Рис. 2.4 Определение параметра пикового напряжения для синусоидальных волн

Из представленного графика видно, что для образца площадью 4.9 см² пиковый ток не превышает токовый диапазон усилителя для выходного напряжения в интервале исследуемых полей только для частоты 50 Hz и 100 Hz (рис. 2.5.а). При дальнейшем увеличении частоты наблюдается ограничение по току (5 мА).

Рис. 2.5 Зависимость пикового тока усилителя при нагрузке от амплитуды подаваемого напряжения (а) и частоты (б) в случае синусоидальных сигналов для S=4.9 см² образца пьезокерамики состава ЦТС-19

Уменьшение площади образца (что соответствует уменьшению емкости) приводит к увеличению рабочего диапазона частот усилителя, при которых не происходит ограничения выходного напряжения (рис.2.6). Таким образом для образца с площадью 0.25 см² исследуемый интервал частот

входит в ширину пропускания усилителя при которой не происходит включение режима ограничения по току в диапазоне амплитуд напряжений до ~900B.

Представленные выше данные можно представить в виде графиков максимальной рабочей полосы пропускания частот усилителя в зависимости от выходного напряжения (рис. 2.7) при которых не происходит ограничение усилителя по току (5 мА). Из рисунка видно, что частоты лежащие ниже соответствующих точек кривой входят в рабочую полосу частот усилителя, которая ограничена характеристикой полосы пропускания, а не пиковой нагрузочной способностью усилителя по току. Таким образом, кривые, представленные на рис.2.7 характеризуют ширину полосы пропускания частот усилителя в зависимости от выходного напряжения.

Рис. 2.6 Зависимость пикового тока усилителя при нагрузке от амплитуды подаваемого напряжения (а) и частоты (б) в случае синусоидальных сигналов для s=0.25 см² образца пьезокерамики состава ЦТС-19

Параметры и совместимость усилителя TREK677В с другим оборудованием

При работе с прямоугольными импульсами имелись особенности, требующие настройки совместимости работы усилителя с генератором сигналов специальной формы (Г6-28).

Г6-28 генерируют прямоугольные импульсы (меандр) с временем нарастания и спада фронта порядка 600 нс, при этом наблюдаемые на выходе усилителя импульсы имеют форму, представленную на рисунке 2.8, где τ_φ- время нарастания фронта, τ_c- время спада и - время длительности рабочего напряжения для одного импульса.

Рис. 2.7 Зависимость максимальной частоты ширины пропускания усилителя от амплитуды напряжения в случае синусоидальных сигналов для: а) S=4.9 см² и б) S=O.25 см² образца пьезокерамики состава ЦТС-19

Поскольку усилитель может искажать форму выходного сигнала, необходимо было также проверить реальные значения времени фронта нарастания на выходе усилителя. В эксперименте было установлено, что ту в незначительной степени зависит от амплитудного значения напряжения. На выходе из усилителя получены следующие значения длядо 700 В - 60 мкс, до 1000 В - 70 мкс и до 1200 В - 80 мкс. При этом значительной зависимости Тф от частоты импульсов обнаружено не было (изменения были в пределах ±3 мкс).

Рис. 2.8 Схематичное представление реального прямоугольного импульса

Для исследования процессов переключения имеет смысл учитывать время длительности импульса τ.Для идеального меандра время длительности (ширина импульса) (рис. 2.9) τ = Т/2, где T - период. В случае реального меандра время длительности одного импульса меньше чем Т/2 в силу не мгновенности нарастания фронта (рис. 2.8). Таким образом, время Учитывая максимально зафиксированное время нарастания фронта прямоугольного импульса τψ = 80 мкс был построен график зависимости τ(f) (рис. 2.10.а). Кривая имеет вид убывающей функции, которая достигает своего насыщения на больших частотах.

Рис. 2.9 Схематичное изображение идеального прямоугольного импульса

Рис. 2.10 (а) Время длительности реального (г) прямоугольного импульса и идеального прямоугольного импульса (772) в зависимости от частоты и амплитуды поля выдержки; (б) Отношение времени τк полупериоду

идеального прямоугольного импульса.

Также важной характеристикой, позволяющей оценить расхождение реального и идеального импульсов, может служить отношение (рис. 2.10.6). Из графика видно, что для минимальной частоты в 50 Гц длительность реального импульса практически полностью соответствует ширине идеального. При этом максимально зафиксированное расхождение на частоте 1500 Гц составляет 24%(≥1200 В), 21% (1000 В) и 18% (700 В). Таким образом, можно сделать вывод о том, что выбранное оборудование подходит для проведения исследования в заданных условиях работы.

2.2