Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
Användarvisningsbild
Magnus_K
EF Sponsor
Inlägg: 5854
Blev medlem: 4 januari 2010, 17:53:25
Ort: Skogen mellan Uppsala-Gävle

Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av Magnus_K »

Hej hej,

Om jag förstår rätt så pga av dom mekaniska egenskaperna i elementet så kan man simulera denna genom ett motstånd + induktor + kondensator, samt en kondensator parallellt efter dessa.
Typ som en kristall-oscillator. För det första, stämmer det?

För det andra, om jag har ett okänt element, finns det något sätt jag kan karaktärisera mitt element och få fram en relevant modell för simulering, i tex LTSpice?

Elementet i fråga kan jag tyvärr inte direktlänka till men man hittar det genom http://www.ecotec-online.se/ -> Mikrofoner -> Ultrasonic komponenter -> Artnr USMIC
xxargs
Inlägg: 10183
Blev medlem: 23 september 2006, 14:28:27
Ort: Södertälje

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av xxargs »

har man nätverksanalysator och ta ut S-parametrar eller kan svepa i frekvens och av ström/spänning mäta impedans så bör man av dessa finna frekvensen för parallell-resonans (högsta impedansen), serieresonans (lägsta impedansen) och i denna lägsta impedans få ut reella delen av impedansen (ekvivalent R) med absolutfrekvenser och frekvensavstånd mellan serieresonans och parallell resonans så bör man både få ut C_parallell, C_seriell och L_seriell.

jo det är möjligt och med formler som man kan hitta i en ellärabok i delen växelströmslära... - eller så googlar man för formlerna...
Användarvisningsbild
Magnus_K
EF Sponsor
Inlägg: 5854
Blev medlem: 4 januari 2010, 17:53:25
Ort: Skogen mellan Uppsala-Gävle

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av Magnus_K »

Tror jag har dom formler jag behöver, tex Cs=[(fp/fs)^2-1]*Cp och Ls=1/[(2*pi*fs)^2*Cs], men behöver verkligen hjälp med det praktiska.
Har tyvärr ingen nätverksanalysator men skulle jag kunna plotta kurvorna genom att svepa manuellt med min signalgenerator?
Användarvisningsbild
YD1150
Inlägg: 1943
Blev medlem: 29 oktober 2010, 22:41:10

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av YD1150 »

Den sorten du länkade till kan vara en kondensatormikrofon eller "elektrostathögtalare".
De ska polariseras med ca 200VDC via ett högohmigt motstånd på typ 10Mohm.
Signalen du skickar iväg eller vill lyssna på kopplas via en kopplingskondensator.
De är antagligen högohmiga så tänk på det om du ansluter en förstärkare till mikrofonen.
Småsignal JFET/MOSFET eller en triod i rörversionen ger hög ingångsimpedans.

Piezo-mickarna har ofta en liten tratt 6-7mm diameter synlig innanför gallret.
Användarvisningsbild
Magnus_K
EF Sponsor
Inlägg: 5854
Blev medlem: 4 januari 2010, 17:53:25
Ort: Skogen mellan Uppsala-Gävle

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av Magnus_K »

Har varit i kontakt med en avdelning på AKG men dom kunde inte hitta mer information. Fick en ny mailadress och skickat en förfrågan dit.
Det är en AKG CK40 Ultrasonic Transducer och introducerades 1966.

Jag ser ingen synlig tratt genom gallret utan en platt skiva, ungefär som en piezo-disk, därav denna tråd.
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av E Kafeman »

Karaktärisera en komponent för frekvenser typ under 10 MHz kan göras relativt enkelt genom att brygg-mäta.
I andra bryggbenet har man variabel resistor samt variabel induktor eller kapacitans. Vid balans i bryggan för en viss frekvens motsvarar de variabla komponenterna komponenten under test, vid just denna frekvensen. Man får plotta upp flera frekvenser för att se evt frekvensberoende, särskilt kring resonansfrekvenser.
Enklare snabb-alternativ är att mata komponenten med signal via variabel resistor. Mät fasen före och efter resistorn med två-kanals oscilloskop.
Justera resistorn så att halva signalen ligger över denna och översätt fasläget till reaktiva ekvivalenten.
Har man valt inområde för resp kanal i förhållande 1:2 så kan man enklare läsa fasen.
Eftersom oscilloskopet har variabelt kanal-gain behöver inte resistorn vara justerbar, det räcker om dess värde är ungefär som på mätobjektet om kanal-gainet kan mätas eller avläsas.
Man får se upp så man inte utstyr komponenten med för höga amplituder eller olämplig DC bias, vilket kan ge fel mätresultat.
Användarvisningsbild
Magnus_K
EF Sponsor
Inlägg: 5854
Blev medlem: 4 januari 2010, 17:53:25
Ort: Skogen mellan Uppsala-Gävle

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av Magnus_K »

Ni får det att låta väldigt enkelt men jag ska göra mitt bästa att hänga med i resonemangen.

Läste precis lite om mikrofoner som är antingen extern polariserade (dvs "200-volts mickar") kontra förpolariserade. Håller med om att utseendet stämmer bra överens med att det är en sk 200V-mick men det jag inte kan veta är hur backplaten ser ut.
Mätte lite på en ultraljuds-sändare (en gammal fjärrkontroll som jag tror YD1150 tipsat om tidigare) och den verkar bara polariseras med 9V.

Det är så fruktansvärt intressant det här men jag har fasen inga baskunskaper. Vet inte ens vad dom olika dB-nivåerna innebär och kan knappt stava till impedans.

På enkel elektroniska, kan jag alltså lägga på en frekvens med sinusvåg över elementet med en variabel resistor i serie. När amplituden dämpats till 50% genom resistorn så har jag fått ett impedansvärde för elementet? Med andra ord en slags spänningsdelare där jag söker upp den "okända" resistansen?
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av E Kafeman »

I princip ja, spänningsdelning och vid lika spänning över bägge kan man mäta resistansen över variabla resistorn som då motsvarar mätobjektets resistans.
Fast detta gäller bara för DC. För komponenter med frekvensegenskaper måste den reaktiva delen också med i mätningen.
Om vanligt motstånd mäts som resistans ger kondensator och spole den reaktiva delen av impedansen. Både resistans och reaktans mäts i Ohm och dess kvadratsumma är impedansen, också i Ohm, för seriekopplad krets.

I synnerhet om det gäller komponenter med uttalade resonansfrekvenser, är inte att mäta enbart resistans tillräckligt.

Om du har en signalgenerator och oscilloskop, testa att mäta på ett känt objekt. Förslag, mät vid 1MHz på en kondensator ca 1nF i serie med variabel resistor 0-1k och se om du kan bestämma kondensatorns storlek genom att justera motståndet och avläsa oscilloskopet.
Har du XY-läge på skåpet, ställ där och jämför med bilderna här: https://sv.wikipedia.org/wiki/Reaktans
Användarvisningsbild
Magnus_K
EF Sponsor
Inlägg: 5854
Blev medlem: 4 januari 2010, 17:53:25
Ort: Skogen mellan Uppsala-Gävle

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av Magnus_K »

Väldigt givande svar. Tack för det!
Reaktans är något jag aldrig förstått mig på. Ska absolut testa uppställningen du nämner, och även i XY-läge.
Återkommer i ärendet senare i veckan då jag rusta upp skopet först. Det är ju ändå 3 år gammalt :doh:
Användarvisningsbild
YD1150
Inlägg: 1943
Blev medlem: 29 oktober 2010, 22:41:10

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av YD1150 »

Kapacitansmätning av AKG CK40 och 40kHz Piezovarianten bl.a. en R40K2 från Matsushita gav följande resultat.

AKG CK40 = 80pF
R40K2 och en EFR-RSB40K2 = 1,3nF och 1,36nF (mätte på två stycken)

Skillnaden är rätt stor i kapacitans.
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Hur kan man karaktärisera ett piezo-element?

Inlägg av E Kafeman »

Kapacitansen är troligen kraftigt frekvensberoende för piezo-elektriska element så därför måste man mäta vid flera frekvenser för att få en helhets-bild.
piezoelectric_crystal_symbol_circuit_reactance.gif
För frekvenser där reaktansen X är negativ i denna exempel-kurva, motsvarar det en kapacitiv last. Kanske aningen ologiskt men reaktansen X är här vertikal axel och frekvensen är horisontell axel
För komponenter som inte är frekvens-linjära, typ bilden ovan, blir det svårt att mäta L och C med instrument som bara mäter vid en fast frekvens, då man inte får helhetsbilden.

QA_1006_Byers_Lissa_scope.jpg
Bildexemplet illustrerar mätmetoden jag beskrev tidigare.
Denna metoden är enkel och tillåter att man kan plotta reaktansen över stort frekvens-område för okänd komponent (ovan okänd = L).
Induktiv last ger positiva vinklar på oscilloscopet.
1. Välj frekvens på signal-generator.
2. Kolla oscilloskopet och justera R så att spänningen är samma som över L.
3. Mät R med multimeter eller ha graderad skala.
3. Induktansen kan nu beräknas: L = R / (2pi*frekv)
4. Repetera 1-3 för nästa frekvens.

För eller senare med ökande frekvens går spolen i självresonans och kommer agera som en kondensator över resonans-frekvensen. På oscilloskopet syns det som en negativ fas-vinkel.
För piezo-keramiska kretsar kan det finnas flera resonanta grund-frekvenser utöver övertoner så man kan behöva plotta frekvensberoendet över stort område om man vill se en mer komplett impedans-kurva.
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Skriv svar