przetworników piezoelektrycznych Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA PRACA STATUTOWA 2012/1 Opracowanie wirtualnego systemu do estymacji wartości parametrów przetworników piezoelektrycznych - Etap II Współautorzy: Piotr Kluk, Marcin Bączyk, Aleksander Lisowiec, Paweł Wlazło Zdzisław Kołodziejczyk, Wojciech Sokół, Andrzej Rymarz Maciej Brylski, Krystian Król, Paweł Kogut Prowadzący: mgr inż. Piotr Kluk Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Cel główny etapu II Opracowanie oprogramowania systemu do pomiaru parametrów i diagnostyki ceramicznych przetworników piezoelektrycznych dużej mocy stosowanych w systemach zgrzewania i wycinania ultradźwiękowego z wykorzystaniem platformy sprzętowej opracowanej w etapie I pracy oraz środowiska programistycznego LabVIEW firmy National Instruments, z uwzględnieniem ewentualnych modyfikacji tej platformy w trakcie testowania i optymalizacji systemu. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Środowisko programistyczne LabVIEW Środowisko LabVIEW jest graficznym (język „G”) zintegrowanym środowiskiem programistycznym do projektowania komputerowych systemów pomiarowo-kontrolnych, umożliwiającym szybką i elastyczną implementację komputerowych systemów pomiarowych z wykorzystaniem techniki tzw. wirtualnego przyrządu pomiarowego. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

przetwornik piezoceramiczny Obiekt pomiaru - przetwornik piezoceramiczny Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

ultradźwiękowy układ drgający Obiekt pomiaru – ultradźwiękowy układ drgający Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Mezurandy, czyli wielkości mierzone Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Impedancja elektryczna przetwornika, a właściwie charakterystyki częstotliwościowe tej impedancji w przedziale częstotliwości: 10 kHz .. 100 kHz (1 MHz); Na podstawie zmierzonych charakterystyk impedancji identyfikacja parametryczna obwodu zastępczego RLC oraz stałych piezoelektrycznych (np. przenikalność dielektryczna) piezoceramiki; Amplituda drgań mechanicznych w zakresie wartości 1 µm .. 100 µm oraz w przedziale częstotliwości 10 kHz .. 70 kHz, konieczny pomiar bezkontaktowy (optyczny czujnik przemieszczenia); Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Niepomijalne wielkości wpływające Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Temperatura – wymagany pomiar w zakresie od 20 °C do 80 °C (parametry przetwornika zależą od wartości temperatury, co ma szczególne znaczenie przy pomiarach dużej mocy, ponadto temperatura powyżej 70-80 °C powoduje trwałą degradację parametrów przetwornika), konieczny pomiar bezkontaktowy (pirometr optyczny); Siła docisku uchwytu pomiarowego – wymagane jest utrzymanie powtarzalnej, jak najmniejszej siły docisku uchwytu, wystarczającej do wykonania wiarygodnego pomiaru charakterystyk częstotliwościowych impedancji. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Pomiar temperatury przetwornika Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Obraz temperaturowy przetwornika dużej mocy typu „sandwich” Konieczność wyznaczenia współczynnika emisyjności w procesie wzorcowania toru z kamerą termowizyjną. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Pomiar temperatury przetwornika, cd. Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Miejsce zamocowania czujnika pirometrycznego w obudowie przetwornika Konieczność wyznaczenia współczynnika emisyjności w procesie wzorcowania toru z czujnikiem pirometrycznym. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Siła docisku uchwytu pomiarowego Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Schemat blokowy układu pneumatyki oraz widok opracowanego uchwytu pomiarowego Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Schemat blokowy systemu (średniej i dużej mocy) Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA OBIEKT MIERZONY LINIOWY STOPIEŃ MOCY GENERATOR FUNKCYJNY U2761A MODUŁ AKWIZYCJI DANYCH U2531A KOMUNIKACYJNY LabVIEW : STEROWANIE, AKWIZYCJA i OBRÓBKA DANYCH, WIZUALIZACJA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Opracowane moduły oprogramowania do sterowania, wzorcowania i pomiarów Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Procedury sterowania generatorem sygnału pomiarowego U2761A firmy Agilent; Procedury sterowania wielofunkcyjną kartą akwizycji danych pomiarowych oraz wejść/wyjść cyfrowych U2531A firmy Agilent; Procedura wzorcowania toru do pomiaru charakterystyk częstotliwościowych impedancji elektrycznej przetwornika w zakresie małej mocy (uwzględnienie pasożytniczej reaktancji dla rozwarcia zacisków pomiarowych, oraz modyfikacja układu pomiarowego z powodu zbyt dużej pojemności wejściowej karty U2531A); Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Opracowane moduły oprogramowania do sterowania, wzorcowania i pomiarów, cd.1 Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Procedury wzorcowanie toru do pomiaru charakterystyk częstotliwościowych impedancji elektrycznej przetwornika w zakresie średnich i dużych mocy – w tym wzorcowanie samego wzmacniacza pomiarowego średniej i dużej mocy; Procedury pomiaru charakterystyk częstotliwościowych impedancji elektrycznej przetwornika w zakresie małych, średnich i dużych mocy, w tym procedury automatycznej zmiany zakresu pomiaru prądu płynącego przez przetwornik mierzony (od 1 mA do 3 A); Procedury estymacji wartości parametrów obwodu zastępczego RLC oraz stałych piezoelektrycznych; Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Opracowane moduły oprogramowania do sterowania, wzorcowania i pomiarów, cd.2 Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Procedura pomiaru amplitudy drgań mechanicznych na powierzchni roboczej sonotrody układu drgającego (przetwornika obciążonego); Procedury: wyznaczania współczynnika emisyjności powierzchni bocznej przetwornika piezoceramicznego oraz pomiaru temperatury za pomocą czujnika pirometrycznego; Procedura stabilizacji siły nacisku wywieranej przez uchwyt pomiarowy na mierzony krążek piezoceramiki; Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Schemat blokowy algorytmu Goertzel’a Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Graficzny interfejs użytkownika Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Graficzny interfejs użytkownika, cd.1 Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Graficzny interfejs użytkownika, cd.2 Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Graficzny interfejs użytkownika, cd.3 Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Sztuczne obciążenie do wzorcowania i testowania systemu Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Laboratoryjne obciążenie RC typu R6kW-1 Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Rzeczywiste obciążenie do testowania systemu Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Demonstrator systemu do pomiaru parametrów przetworników piezoelektrycznych Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Sposób zamocowania czujnika optycznego do pomiaru amplitudy drgań mechanicznych Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Podsumowanie Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Cel główny osiągnięto. W wyniku pracy powstał demonstrator systemu pomiarowego umożliwiający pomiar i diagnostykę ultradźwiękowych przetworników piezoelektrycznych małej i dużej mocy, w zakresie częstotliwości od 10 do 100 kHz (1MHz); Poszczególne podsystemy pomiarowe (do pomiaru impedancji i amplitudy drgań mechanicznych) są od ponad roku sukcesywnie wdrażane i wykorzystywane do pomiaru i diagnostyki przetworników ultradźwiękowych oraz kompletnych układów drgających opracowywanych i produkowanych w ITR. Na bieżąco system jest optymalizowany i dostosowywany do aktualnych potrzeb pomiarowych, co zapewnia utrzymanie wysokiej jakości produkcji. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Podsumowanie, cd.1 Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA W ramach pracy zastosowano nowatorskie rozwiązania, zgłoszone wcześniej jako wnioski patentowe, między innymi: P. Kluk, M. Bączyk, P.389199: „Układ sterowania mocą i częstotliwością, zwłaszcza do generatora ultradźwiękowego”; M. Brylski, P.390061: „Sposób sterowania mocą w procesie zgrzewania ultradźwiękowego”; P. Barmuta, M. Brylski, P.390065: „Sposób sterowania procesem zgrzewania ultradźwiękowego”; oraz złożono jeden nowy wniosek patentowy: K. Król, Ł. Krzemiński, M. Brylski, B. Młynarski, P.397467: „Głowica do pomiaru własności elektrycznych ceramiki piezoelektrycznej, zwłaszcza do przetworników ultradźwiękowych dużej mocy”. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Podsumowanie, cd.2 Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA W ramach pracy opublikowano następujące artykuły: A. Milewski, P. Kluk, P. Kogut, J. Florkowska-Trąbińska, “Identyfikacja parametryczna ultradźwiękowych przetworników piezoelektrycznych”, Elektronika nr 9, 2011; A. Milewski, P. Kluk, P. Kogut, „Automatycznie sterowany ultradźwiękowy generator mocy”, Elektronika nr 9, 2011; A. Milewski, P. Kogut, W. Kardyś, P. Kluk, „Eksperymentalna walidacja elektromechanicznych modeli ultradźwiękowych przetworników piezoceramicznych”, Elektronika 8/2012; oraz zgłoszono do publikacji następujące artykuły: P. Kluk, A. Milewski, P. Kogut, W. Kardyś, B. Młynarski, „Wirtualny przyrząd do optycznego pomiaru drgań mechanicznych układów ultradźwiękowych” P. Kogut, A. Milewski, P. Kluk, W. Kardyś, L. Nafalski, „Układ do pomiaru impedancji przetworników piezoelektrycznych”;  W. Kardyś, A. Milewski, P. Kluk, P. Kogut, „Liniowy stopień mocy do pomiarów nieliniowych właściwości systemów ultradźwiękowych”. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Podsumowanie, cd.3 Instytut Tele- i Radiotechniczny WARSZAWA Opracowany system stanowi podstawę opracowania nowej generacji systemów zgrzewania i wycinania ultradźwiękowego o podwyższonej sprawności (uwzględnienie efektów nieliniowych), niezawodności i czasie życia układu drgającego, wyposażonych w system zdalnej e-diagnostyki układu drgającego, co w sposób istotny zwiększy ekonomiczność i konkurencyjność tej technologii. Stanowi to główny cel złożonego do NCBiR wniosku o projekt pt. „Innowacyjne technologie zgrzewania ultradźwiękowego”. Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych