Главная  Пьезоэлектрический резонатор 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [ 33 ] [34] [35] [36] [37] [38]


должны производиться при определенных уровнях мощное сеиваемой на пьезоэлементе резонатора (см. § 1.12).

Механические испытания. К ним относятся: проверка на ви ропрочность или виброустойчивость, на ударопрочность или ударо-устойчивость, проверка резонаторов на воздействие линейных нагрузок.

Климатические испытания. Они включают: проверку на воздействие предельных отрицательных и положительных температур и на циклическое воздействие предельных температур, проверку на нагрево-, холодо- и влагостойкость и работоспособность в условиях росы и инея, проверку на высотность.

Измерение номинальной частоты кварцевых резонаторов и отклонения частоты от заданного номинального значения производится по методике, изложенной в § 6.5. Относительное отклонение рабочей частоты от номинального значения подсчитывается п формуле

f /и8м - feoM /ном /ном

где /изм - измеренное значение частоты; /ном - номинальная час? тота резонатора.

При измерении максимальных относительных изменений частоты в рабочем интервале температур, т. е. зависимости частоты резонаторов от температуры в пределах заданного интервала температур, определяется ТКЧ кварцевых резонаторов.

Кварцевый резонатор помещают в камеру холода при крайней минусовой рабочей температуре, где он перед началом измерения должен быть выдержан не менее 15 мин. После этого резонатор включают в схему генератора и измеряют его частоту во всем заданном интервале рабочих температур. Измерения следует производить через интервалы от 2 до 10° С. Частоту можно измерять в условиях плавного изменения температуры, при этом скорость изменения температуры должна допускать возможность фиксации значения частоты в измеряемой точке интервала температур. Кривая зависимости частоты от температуры должна иметь характер непрерывной функции.

Средний ТКЧ вычисляют по формуле

Значение ТКЧ должно находиться в пределах, заданных усло-: виями работы кварцевых резонаторов (см. § 1.12).

Максимальное относительное изменение частоты резонатора в; интервале рабочих температур определяют по формуле

f [max fmin

fном /ном

Измерение эквивалентных электрических параметров кварцевых резонаторов (Lk, Ск, Rk) производится в специальных схемах (эти измерения описаны в § 7.2). Эквивалентные параметры и ДО



бротность Q кварцевых резонаторов можно также измерять с помощью приборов, специально сконструированных для этих целей.

Измерение динамического сопротивления и добротностн кварцевых резонаторов производится для определения изменения этих параметров резонаторов в рабочем интервале температур. Добротность измеряется приборами соответствующего назначения и типа, г измерение и расчет динамического эквивалентного сопротивления выполняются по методике, изложенной в § 7.2. Измерения динамического сопротивления и добротности кварцевых резонаторов в заданном интервале температур производятся через 2-10°С. Бремя выдержки резонаторов в термокамере перед измерением при постоянной температуре должно обеспечить установление температуры на пьезоэлементе резонатора.

Для проверки кварцевых резонаторов на активность колебаний на выход кварцевого генератора с включенным кварцевым резонатором подключается ламповый вольтметр.

Измерения производятся после прогрева кварцевого резонатора в течение 10 мин. Улучшить активность пьезоэлемента с креплением на струнах можно перепайкой струн к выводам оснований кварцедержателя. При сильном натяжении струны, если точка припайки не попала точно в узел колебаний пьезоэлемента, ослабляется его активность, так как затрудняются механические колебания пьезоэлемента. В этом случае, ликвидируя при перепайке струн излишнее их натяжение, облегчают условия механических колебаний пьезоэлементов. Для устранения причин низкой активности пьезоэлементов необходимо припаивать струны к пьезоэлементу симметрично с обеих сторон.

Измерение моночастотности дает возможность выявить наличие нежелательных гармонических резонансов и оценить их величину.

Измерение сопротивления изоляции кварцевых резонаторов производится в нормальных климатических условиях и в условиях повышенной влажности. Сопротивление изоляции между токове-дущими выводами, а также между корпусом и каждым из токо-ведущих выводов измеряется мегаомметром с пределом измерения до 100 МОм. Испытательное напряжение равно 100 В± 15 В постоянного тока. Электрическое сопротивление изоляции между указанными точками должно быть в нормальных условиях при окружающей температуре 20°С±5°С не менее 100 МОм, а по окончании испытаний на влагостойкость не менее 3 МОм.

Проверка резонаторов на механическую прочность производится по методике, описанной в § 7.4.

Климатические испытания кварцевых резонаторов выполняются по методике, описанной в § 7.5.

Кроме того, все кварцевые резонаторы подвергаются внешнему осмотру. Проверяется их герметичность. С помощью трансформатора «Тесла» устанавливается наличие соответствующего вакуума в баллонах вакуумных резонаторов.

Правила хранения кварцевых резонаторов приведены в § 7.6.

8-80 . 201




7.2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНЫ. ПАРАМЕТРОВ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

В данном параграфе излагаются способы измерения эквивр лентных параметров кварцевых резонаторов Як, -к, Ск и Q - добротности резонаторов.

Измерения больших и малых эквивалентных сопротивлений Як производятся в специальных схемах, описанных в этом параграфе, а измерения эквивалентных индуктивности Lk и емкости Си - в схеме последовательного резонанса. Эквивалентные параметры рассчитываются по формулам.

источником высокочастопных колебаний в схемах измерений эквивалентных параметров кварцевых резонаторов является кварцевый генератор, частота которого должна соответствовать частоте измеряемых резонаторов. Колебания высокой частоты от кварцевого генератора подаются на испытуемый кварцевый резонатор. Настройка кварцевого генератора на собственную частоту испытуемого кварцевого резонатора проверяется при последовательном резонансе по минимальному показанию лампового вольтметра, включенного в схему генератора в качестве индикатора.

Эквивалентные параметры и добротность резонаторов можно измерять также методом затухания свободных колебаний в специальном приборе.

Измерение больших эквивалентных сопротивлений Як производится методом замещения в схеме, представленной на рис. 7Л,а, где ЛТ - кварцевый генератор, настроенный на частоту измеряемого кварцевого резонатора, Я - магазин сопротивлений, ПР~ измеряемый кварцевый резонатор, П - переключатель, г - сопротивление 100 Ом. По другой схеме (рис. 7.1,6) измеряются малые эквивалентные сопротивления Як- Здесь г - сопротивление 25 Ом.



Рис. 7.1. Схемы для измерения больших (а) и малых (б)

Для измерения Як кварцевого резонатора в схеме на рис. 7.1,а переключатель П ставится в положение а. Отмечается показание стрелки индикаторного прибора при последовательном соединении кварцевого резонатора и постоянно включенного сопротивления г. Далее переключатель П ставится в положение б, при этом вместо кварцевого резонатора подключаются магазин сопротивлений Я и сопротивление г. Подбором сопротивлений добиваются такого же показания индикаторного прибора, как при подключенном кварцевом резонаторе. В этом случае эквивалентное сопротивле-202

ние Як равно значению подобранного на магазине сопротивления Я При измерениях в схеме на рис. 7.1,6 следует, переключая П, измерить Vi и U2. Эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора Як определяется по формуле

Измерения эквивалентной индуктивности Lk и емкости Ск производятся в схеме последовательного резонанса. Измеряемая частота задается ГСС или любым кварцевым генератором с эталонным кварцевым резонатором, с подстройкой в необходимых пределах. Последовательно с кварцевым резонатором подключается емкость С, равная 100 пФ при измерениях на низких частотах и 200 пФ при измерениях на высоких частотах. Сначала измеряется частота последовательного резонанса кварцевого резонатора /ь затем подключается последовательно с испытуемым кварцевым резонатором емкость С и после вторичной настройки на последовательный резонанс измеряется частота /г- Эквивалентная индуктивность iLh- и емкость Ск подсчитываются по следующим формулам: 12,66Л0з c„ = 2(Co + C)AL, " /А/(Со + С) 0 f f

где / - частота испытуемого кварцевого резонатора, МГц; Д/=, -h-fb Гц; Со - статическая емкость кварцевого резонатора (измеряется прибором для измерения емкостей); пФ; С - последовательно подключаемая емкость, пФ.

Если значение динамической эквивалентной емкости Ск извест-, но, индуктивность можно подсчитать по формуле

1к=1/(ЧСк),

где ©i = 2n/i.

Если известны Lk и Як, можно вычислить добротность кварцевого резонатора по формуле

„ % 1

Rk %Скк

Другой метод измерения эквивалентных динамических параметров кварцевых резонаторов--метод затухания свободных колебаний - основан на свойстве колебательных цепей, согласно которому время затухания амплитуды свободных колебаний пропорционально добротности цепи и обратно пропорционально частоте. Метод дает высокую точность измерений, может быть использован в широком диапазоне частот, высоко чувствителен и весьма прост. Все эти преимущества метода затухания свободных колебаний обеспечили ему широкое применение при измерениях параметров кварцевых резонаторов.

Ряд приборов для измерения эквивалентных параметров резонаторов основан на методе затухания свободных колебаний. Схема прибора - измерителя эквивалентных динамических парамет-



ров кварцевых резонаторов Lk, Ск, и Q, использующего этот* метод, представлена на рис. 7.2. Прибор изготовляется на диапазон рабочих частот 10-30 000 кГц±5%. Диапазон измеряемых добротностей начинается от 5-10 и практически не ограничен до максимально необходимых значений. Погрешность измерения Q не

Т Т

Рис. 7.2: Структурная схема измерителя эквивалентных параметров кварцевых резонаторов

превышает ±3%. Погрешность измерения эквивалентных динам ческих реактивных величин L„ и Ск не больше ±10%. Погрешность измерения эквивалентного сопротивления не превышает ±(3-7)%. Измерения можно производить как на основной частоте, так и на побочных частотах и механических гармониках.

Испытуемый кварцевый резонатор включается в схему четырехполюсника, колебания усиливаются усилителем 2. Настройка автогенератора / на частоту резонанса кварцевого резонатора определяется по наибольшему отклонению измерительного прибора 6 в цепи детектора 3. Незатухающие колебания прерываются размыканием ключа К, свободно затухающие колебания резонатора усиливаются и детектируются. Амплитудные селекторы АС1 [4) и АС2(5) определяют верхнюю и нижнюю границы амплитуды затухающих колебаний, соответствующих началу и концу отсчета. Прибор используется вместе с электронно-счетным частотомером 7.

Для определения добротности и эквивалентных параметров методом затухания необходимо измерить время затухания колебаний резонатора Го и время затухания колебаний резонатора Ti с последовательно введенным в цепь известным сопротивлением R. Значение вводимого сопротивления подбирается так, чтобы Го~

Подсчет эквивалентных параметров и добротности производится по формулам:

0,159 1

L„=(0,l59 o)p; P = Q/?„; Q = STJ„ "

где fo-резонансная частота, измеряемая прибором, Гц; р - волновое сопротивление эквивалентного контура, Ом; Го, Г] - время, МС.

Пример. Дано fo=l МГц; 7о=200 мс; 71=1100 мс прн /?э=20 Ом. Получим (г = ЗГо/в = 3.200.10-3 .1.10» = 6-105;

= 20 Ом;

Г„/Г1-1 p = Q/?jj= 6-106.20= 12 МОм. 0,159

0,159

/о 0,159

0,159 1

12= 1.91 Гн; 1

= 0.013 пФ.


7.3. НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Кварцевый резонатор как механическая колебательная система с распределенными постоянными обладает бесконечным числом резонансных частот. Каждая резонансная частота соответствует своему виду механических колебаний кристаллического элемента. Поэтому при изменении частоты возбуждения резонатора можно получить ряд резонансных частот, соответствующих различным видам колебаний в разных направлениях. Скорость распространения этих колебаний определяется плотностью и упругими постоянными кристалла кварца, из которого вырезан пьезоэлемент. Кроме того, между основными и взаимодействующими колебаниями и их гармониками возникают связи. В результате вместо одной резонансной частоты может появиться сложный спектр частот разной активности с разными значениями эквивалентных параметров для каждой из частот. Одна из многих резонансных частот используется как рабочая частота. Все остальные резонансные частоты нежелательны.

Размеры пьезоэлемента, вдоль которых устанавливается стоячая волна, определяют значение резонансных частот, находящихся между собой в кратном отношении. Стоячие волны могут установиться вдоль любых" размеров пьезоэлемента. В связи с этим расчет для всех видов колебаний, возникающих в пьезоэлементе, составил бы сложную задачу. Обычно производят расчет для одного определенного вида колебаний в одном направлении без учета нежелательных колебаний и связей, что по точности удовлетворяет практическим требованиям. Высокие уровни возбуждения пьезоэлементов кварцевых резонаторов приводят к появлению или усилению нежелательных резонансов.

Идеальных моночастотных пьезоэлементов не существует. Получение моночастотных колебаний кварцевых резонаторов в схеме Кварцевых генераторов несколько упрощается, так как, выбирая соответствующие значения параметров схемы, можно ограничить возможность возникновения нежелательных резонансов. Часто нежелательные частоты располагаются в непосредственной близости от основной частоты кварцевого резонатора, что может привести к Двухволнистости генерируемых колебаний и вызвать перескоки Частоты с основного значения на другое, близкое значение.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [ 33 ] [34] [35] [36] [37] [38]

0.0008