Versuch 1: Impedanzmessung an Piezoelektrischen Bauelementen

Werbung
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
Versuch 1: Impedanzmessung
Bauelementen
an
Stand 2010
Piezoelektrischen
1. Beschreibung des Versuchsaufbaus
Die Impedanzmessung erfolgt mit einem frequenzstabilen Funktionsgenerator für
sinusförmige Wechselspannungen mit einstellbarer Amplitude und Frequenz, sowie
einem digitalen Speicherosziloloskop. Die Impedanzberechnungen sind möglich
durch Spannungsmessung mit einem Kanal des Oszilloskops. Dabei wird, aus dem
vom Oszilloskop bei einer festen Frequenz aufgenommenen zeitabhängigen Signal,
der komplexe Scheitelwertzeiger bestimmt.
Diese Messung wird an drei Bauelementen durchgeführt:
1) Dem unbekannten Messobjekt ( device under test dut )
2) Zwei bekannten Messobjekten (Kalibrierstandards)
Funktionsgenerator
Agilent 8165
Uq
Z1
Z2
Oszilloskop
Agilent DSO 3062
~
Zi
Udut
Um
Zdut
Zoszi
Abb. 1 Messaufbau zur Impedanzmessung von Z dut
Z i:
U q:
Z 1:
Z 2:
Z oszi:
Udut:
Innenwiderstand des FunktionsGenerators hier 50 Ω
Einstellbarer Scheitelwertzeiger
Zuleitung zum Messobjekt + Mögliche Anpassung
Zuleitung zum Oszilloskop
Impedanz des Oszilloskops
nicht direkt messbare Spannung des Messobjekts mit
Impedanz Zdut
1
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
Stand 2010
2. Kalibrierung des Messaufbaus durch bekannte Messobjekte.
Im Folgenden wird gezeigt, wie mit Hilfe von 2 verschiedenen, bekannten
Messobjekten die Impedanzberechnung durchgeführt werden kann:
Mit Hilfe der Spannungsteilerregel folgt aus Abb 1:
Um
Z oszi
=
Udut Z 2 + Z oszi
Udut
Uq
mit
=
(1)
Z eff
Z1 + Zi + Z eff
1
Zeff
=
1
Zdut
+
=
1+
1
Z1 + Zi
(2)
Z eff
1
.
Z2 + Zoszi
Wird nur das erste bekannte Messobjekt angeschlossen ( hier ein OPEN )
1
Mit Zdut= Zo ( Impedanz des OPEN Standarts Zo =
; Co = 100 fF
jωCo
Ersatzschaltbild des OPEN Standards
Co
So gilt für die gemessene Spannung Umo am Oszilloskop mit (1)*(2) und Index
OPEN:
Umo Umo Udut
Z oszi
1
*
*
=
=
Z +Z
Uq
Udut Uq
Z 2 + Z oszi
1+ 1 i
Z effo
1
1
1
.
mit
=
+
Zeffo Zo Z2 + Zoszi
o
für
(3)
( 3´)
Für das zweite bekannte Messobjekt wird ein ohmscher Widerstand benutzt, dessen
Widerstandswert ungefähr dem Betrag der Impedanz des Messobjekts entspricht:
Hier Zdut = ZL = 5kΩ + jω•1nH
Ersatzschaltbild des LOAD – Standards
RL
LL
RL = 5 kΩ
LL nH
Hier gilt analog zu (3) mit Index L für Load
2
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
UmL UmL Udut
Z oszi
1
=
∗
=
=
Z +Z
Uq
Udut Uq
Z 2 + Z oszi
1+ 1 i
Z effL
mit
1
ZeffL
=
(4)
1
1
+
ZL Z2 + Zoszi
Bildet man nun
Stand 2010
( 4´)
1
1
−
, so ergibt sich
(3) (4)
⎛ 1
Z2 ⎞⎟⎛⎜ Z1 + Zi ⎞⎟ ⎛⎜
Z2 ⎞⎟⎛⎜ Z1 + Zi ⎞⎟
1 ⎞⎟ ⎛⎜
1+
1+
−
= 1+
− 1+
=
Uq ⎜⎜
⎟⎜
⎟ ⎜
ZeffL ⎟⎠
Zeffo ⎟⎠ ⎜⎝ Zoszi ⎟⎠⎜⎝
⎝ Umo UmL ⎠ ⎝ Zoszi ⎠⎝
⎛
⎞
⎛
⎞
+
⎜1 + Z2 ⎟⎛⎜ Z1 Zi ⎞⎟⎜ 1 − 1 ⎟
⎟⎜
⎜ Z
⎟⎜
⎟
oszi ⎠⎝ 1 ⎠⎝ Zeffo ZeffL ⎠
⎝
mit (3’) und (4’) folgt daraus:
⎛ 1
⎛ 1
Z2 ⎞⎟
1 ⎞⎟
1 ⎞⎟ ⎛⎜
(
−
= 1+
+ Zi)⎜
−
Uq ⎜⎜
Z
1
⎟
⎜Z
⎟
⎟ ⎜
⎝ o ZL ⎠
⎝ Um0 Uml ⎠ ⎝ Zoszi ⎠
oder
Uq
⎛
Z1 ⎞
⎟(Z + Z )
⎜1 +
⎟ 1 i
⎜ Z
oszi ⎠
⎝
=
⎛ 1
1 ⎞⎟
⎜
−
⎟
⎜Z
⎝ o ZL ⎠
⎛ 1
1 ⎞⎟
⎜
−
⎟
⎜U
⎝ mo UmL ⎠
=
Calm
(5)
Auf der linken Seite von Gleichung (5) stehen die unbekannten Größen des
Messaufbaues, auf der rechten Seite von (5) hat man die Impedanzen der bekannten
Messobjekte und die dazugehörigen gemessenen Spannungen am Oszilloskop.
Damit ist die Kalibrierkonstante Calm, die durch den Messaufbau bestimmt wird,
bekannt.
Wird nun das unbekannte Messobjekt mit der Impedanz Zdut in den Messaufbau
eingesetzt, so lässt sich analog zu (5) mit der OPEN – Messung als bekanntes
Messobjekt schreiben:
3
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
Stand 2010
1
1
−
Zo Zdut
Calm =
1
1
−
Umo Umdut
(6)
Wegen (5) = (6) lässt sich aus (5) und (6) nun die Impedanz Zdut berechnen:
1
1
1
1
−
−
Zo Zdut
Zo ZL
=
1
1
1
1
−
−
Umo Umdut Umo UmL
1
1
−
Zo ZL
1
1
=
−
Y dut =
1
1
Zdut Zo
−
Umo UmL
⎛ 1
1 ⎞⎟
⎜
−
⎜U
⎟
⎝ mo Umdut ⎠
(7)
Dieses Vorgehen zur Berechnung der Admittanz Ydut lässt sich nun für
unterschiedliche Messfrequenzen durchführen, so dass der Frequenzgang von Ydut(f)
gemessen werden kann.
3. Modellierung des Piezobauelements mit
Wirkungsgrad, mechanischer und elektrischer Güte
Bestimmung
von
Bei piezoelektrischen Materialien wie z.B. Blei – Zirkanat – Titanat (PZT), wie es bei
diesem Versuch Verwendung findet, wird ein Teil der durch mechanische
Verformung aufgebrachten Energie in elektrische Energie umgewandelt. Der
Wirkungsgrad für diese Energiewandlung wird durch den elektro-mechanischen
Koppelfaktor
Keff =
eingespeis te elektrische Energie
eingespeis te mechanisch e Energie
=
abgegebene mechanisch e Energie
abgegebene elektrisch e Energie
dargestellt.
Zur Beschreibung des gekoppelten elektro-mechanischen Verhalten wird das
Butterworth van Dyke Modell (BVD-Modell) aus Abb. 2 als Standardmodell benutzt.
(siehe Anhang aus IEEE Standard zur Piezoelektrizität)
4
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
Stand 2010
Cm
C0
Lm
Y S = j ⋅ ω ⋅ C0 +
1
⎛
1 ⎞
⎟
R m + j ⋅ ⎜⎜ ω ⋅ L m −
ω ⋅ C m ⎟⎠
⎝
Rm
Abb. 2 BVD-Modell
Der elektrische Bereich des Piezos wird durch die Parallelkapazität C0 modelliert, in
der die, durch mechanische Verformung getrennten, Ladungen gespeichert
vorliegen.
Das mechanische Verhalten wird durch einen zu C0 parallelgeschalteten
Schwingkreis mit den „elektrischen“ Bauelementen Lm, Cm und Rm dargestellt.
Unter welchen Voraussetzungen diese elektrische Darstellung des mechanischen
Verhaltens erlaubt ist wird im folgenden erläutert:
Bei dem in Abb. 3 gezeigten Piezo handelt es sich um ein mechanisch
schwingfähiges System, mit einer bewegten Masse m, einer Steifheit
(Federkonstante
D)
und
viskosen
(geschwindigkeitsproportionalen)
Reibungsverlusten d.
Abb. 3 Piezo mit Impedanzmessplatz
5
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
Stand 2010
Die Bewegungsgleichung eines solchen Masse-Feder-Dämpfer Systems läßt sich
einerseits durch die auftretenden Kräfte bei freier Schwingung durch folgende
Differenzialgleichung beschrieben:
d2 x
dx
m⋅ 2 + d⋅
+D⋅x = 0
(8)
dt
dt
dabei ist x die Auslenkung der bewegten Masse m aus ihrer Ruhelage, und
m⋅
d2 x
dt 2
die Trägheitskraft auf die mit
D⋅ x
d⋅
d2 x
dt 2
beschleunigte Masse;
die Rückstellkraft der Feder mit Federkonstante D
dx
dt
und
die geschwindigkeitsproportionale Reibungskraft mit
Proportionalitätskonstante d.
Das elektrische Verhalten der Bauelemente Lm, Cm und Rm in Abb. 2 wird
andererseits im elektrischen Bereich durch die folgenden Spannungs - Strom u-i,
bzw. Spannungs-Ladungszusammenhänge u-q beschrieben:
Spannung uL an der Spule bei zeitlicher Änderung des Stroms i
uL = Lm ⋅
di
d2q
= Lm ⋅ 2 ;
dt
dt
wobei i =
dq
dt
Spannung uC am Kondensator bei vorhandener Ladung q
uC =
1
⋅q
Cm
Spannung uR am ohmschen Verbraucher bei Stromfluss i
uR = Rm ⋅ i = R ⋅
dq
dt
Wird der Schwingkreis aus Lm, Cm und Rm bei vorhandener Ladung q
kurzgeschlossen *, so ergibt sich folgende Differenzialgleichung für die Ladung q
analog zu (1):
Lm ⋅
d2q
dq 1
+ Rm
+
⋅q = 0
2
dt
dt Cm
(9)
*
Dies entspricht der freien Schwingung des einmal ausgelenkten, frei schwingenden
mechanischen Masse – Feder – Dämpfer Systems.
6
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
Stand 2010
Durch Vergleich von (8) und (9) stellt man fest:
Die Auslenkung x wird in der elektrischen Beschreibung durch die Ladung q
dargestellt, die mechanische Kraft f entspricht der elektrischen Spannung u, d.h.
Auslenkung und Ladung, sowie Kraft und Spannung sind zueinander
korrespondierende Größen. Für kleine Änderungen sind diese Größen beim Piezo
zueinander proportional:
f = C1 ⋅ u
(10)
q = C2 ⋅ x
(11)
Eine am Piezo anliegende Spannung führt zum auftreten einer proportionalen Kraft,
eine mechanische Verbiegung aus der Ruhelage erzeugt eine Ladungstrennung auf
den Kondensatorplatten von C0.
Beide
Proportionalitätskonstanten
sind
wegen
der
Gültigkeit
des
Energieerhaltungssatzes gleich, denn für die mechanische Leistung pm gilt
pm = f ⋅
dx
= f ⋅v
dt
mit Kraft f und Geschwindigkeit v.
Für die elektrische Leistung pe gilt:
dq
pe = u ⋅
= u⋅i
mit Spannung u und Stromstärke i§
dt
Wegen (10) und (11) wird nun:
pm = f ⋅
dx
dx C1
dq C1
= C1 ⋅ u ⋅
=
⋅u⋅
=
⋅u⋅i
dt
dt C2
dt C2
mit
C1
=1
oder
C1 = C2 = Kem
(12)
C2
Kem heißt dann piezoelektrische Koppelkonstante.
Wenn im elektrischen Ersatzschaltbild an den Serienschwingkreis von Abb.2 eine
Spannungsquelle u(t) angeschlossen wird entspricht das also einer Kraft die im
mechanischen Masse – Feder - Dämpfer System wirksam wird und es gilt:
pm = p e ⇒
d2q
dq 1
u( t ) = Lm ⋅ 2 + Rm ⋅
+
⋅q
dt
dt Cm
mit (10), (11) und (12) wird daraus:
f (t)
d2 x
dx K em
= Lm ⋅K em ⋅ 2 + Rm ⋅ K em ⋅
+
⋅x
K em
dt
dt Cm
oder
§
zeitabhängige physikalische Größen sind kleingeschrieben
7
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
f ( t ) = Lm ⋅ K 2em ⋅
Stand 2010
d2 x
K 2em
2 dx
+
R
⋅
K
+
⋅x
m
em
dt 2
dt Cm
(13)
außerdem gilt wegen (8)
f (t) = m ⋅
d2 x
dx
+ d⋅
+D⋅x
2
dt
dt
(14)
Ein Koeffizientenvergleich zwischen (13) und (14) liefert
elektromechanischen Umwandlungsformeln für die Modellparameter
m = Lm ⋅ K 2em ;
d = Rm ⋅ K 2em ;
D=
K 2em
Cm
damit
die
(14´)
4. Bestimmung der Modellparameter Cm, Lm, Rm und C0:
Diese lassen sich mit Hilfe der elektrischen Impedanzmessung mit harmonische
Wechselspannung in der Umgebung der mechanischen Resonanzfrequenz
bestimmten.
Für das Ersatzschaltbild in Abb. 2 gilt dann für die Admittanz YS
Y S (ω) = j ⋅ ω ⋅ C0 +
1
⎛
1 ⎞
⎟
Rm + j ⋅ ⎜⎜ Lm −
ω ⋅ Cm ⎟⎠
⎝
Für die Parameterextraktion wird dann folgendes Vorgehen gewählt (siehe IEEE
Standard für...).
Hierzu werden die aus den gemessenen Spannungswerten durch Gleichung (7)
berechneten Admittanzen YM benutzt:
4.1. Bestimmung der Serienresonanzfrequenz fs, die an der Stelle auftritt, an der
Realteil (YM) ein Maximum besitzt.
1
und Bestimmung der
YM
Parallelresonanzfrequenz fp die an der Stelle auftritt, an der Realteil (ZM) ein
Maximum besitzt.
4.2. Berechnung der Impedanz ZM =
4.3. Berechnung des elektromechanischen Wirkungsgrads Keff
8
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
K eff =
fp2 − fs2
fp2
Stand 2010
,
der angibt wie viel elektrische Energie bei der Messung in mechanische Energie
umgewandelt wurde.
4.4. Bestimmung der Gesamtkapazität CT = C0+Cm bei Frequenzen mindestens 10%
unterhalb der Resonanzfrequenzen mit
CT =
Im aginärteil(YM )
ω
Co =
4.5. Bestimmung von
fs
⋅ CT
fp
und
4.6. Bestimmung von
Lm =
1
(2 ⋅ π ⋅ fs )2 ⋅ Cm
4.7. Bestimmung von
Rm =
1
Re alteil(YM ( fs ))
Cm = CT – C0
Bei diesem Vorgehen ist nur der Imaginärteil (YM) frequenzabhängig gut modelliert,
während der Realteil (YM) nur für die Frequenz f = fs angepasst ist.
Außerhalb von fs wird der Realteil (YM) in der Regel zu klein berechnet, wie es eine
Beispielextraktion von Abb. 4 zeigt.
3.50E-04
Admittanz / S
3.00E-04
2.50E-04
2.00E-04
real(YM) / S
1.50E-04
imag(YM) / S
real(Ys) / S
1.00E-04
imag(Ys) / S
5.00E-05
0.00E+00
20000
25000
30000
35000
40000
45000
Frequenz / Hz
Abb. 4
Vergleich Messung YM und Simulation YS eines Piezos.
Um auch den Realteil (YM) breitbandig richtig zu berechnen müssen die
dielektrischen Verluste des Piezos mit berücksichtigt werden. Hierzu wird das
Ersatzschaltbild um einen frequenzabhängigen Parallelwiderstand erweitert: Es gilt
für den dielektrischen Verlustfaktor tanδ:
9
Stand 2010
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
tan δ =
1
ω ⋅ R p ⋅ C0
Rp =
und deshalb
1
ω ⋅ C0 ⋅ tan δ
(15)
Dabei ergibt sich das verbesserte Ersatzschaltbild nach Abb. 5.
Cm
1
ω ⋅ C0 ⋅ tan δ
C0
Y e = ω ⋅ C0 ⋅ tan δ + Y s
Lm
(16)
Rm
Abb. 5 Erweitertes Ersatzschaltbild mit dielektrischen Verlusten.
tanδ lässt sich außerhalb der Resonanz durch tan δ =
Re alteil(YM )
Im aginärteil(YM )
als Startwert extrahieren.
Jetzt stehen genügend genaue Startwerte für die Berechnung von Ye zur Verfügung,
um mit einem Optimieralgorithmus eine verbesserte Kurvenanpassung zu erreichen.
Hierzu wird der mittlere Quadratische Fehler zwischen gemessenen Y-Parametern
YM und nach (16) berechneten Y-Parameter Ye gebildet:
1
Fehler = ⋅
∑
n geeignete
Frequenzpunkte
⎡ Re al(YM ) − Re al(Y e )⎤
⎢
⎥ +
Re al(YM )
⎣
⎦
2
⎛ Im ag((YM )) − Im ag(Y e ) ⎞
⎜⎜
⎟⎟
Im ag(Y M )
⎝
⎠
2
n= Anzahl der benutzten Frequenzen
Ersatzschaltbild bei hohen Frequenzen
Für hochfrequente mechanische Resonanzen ( f > 100 kHz ) spielen auch die
Zuleitungsinduktivitäten und der Kontaktwiderstand zwischen Piezomaterial und
Metall eine Rolle:
Diese beiden neuen Modellparameter erscheinen nun im Ersatzschaltbild von Abb. 6.
10
Stand 2010
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
Rs
Ls
Cm
1
ω ⋅ C0 ⋅ tan δ
C0
Lm
1
Ye
ZRF = RS + j ⋅ ω ⋅ L s +
(17)
Rm
Abb. 6 Hochfrequenztaugliches Ersatzschaltbild des Piezos
Bei bekannten Bauelementewerten kann jetzt die dielektrische Güte Q e =
sowie die mechanische Güte im Resonanzfall Q m =
1
2 ⋅ π ⋅ fs ⋅ Cm ⋅ R m
1
,
tan δ
berechnet
werden.
Bei Kenntnis von Kem ist es nun auch möglich eine effektive bewegte Masse mit
m eff = L m ⋅ K 2em ,
eine effektive Proportionalitätskonstante für viskose Reibung deff = Rm ⋅ K 2em
und eine effektive Federkonstante D eff =
K 2em
zu bestimmen.
Cm
11
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
Stand 2010
5. Aufgaben:
Häusliche Vorbereitung:
Berechnen Sie die Impedanz (Z-Parameter) und die Addmittanz (Y-Parameter) der
Schaltung in Abb. 7.
C0
Cm
Lm
R0
Rm
Abb.7 Schaltung zur Berechnung von Y- und Z- Parametern
5.1
Simulieren
Sie
den
vorhandenen
Messaufbau
mit
dem
Schaltungssimulationsprogramm ADS (Advanced Design System) von Agilent. Als
Simulationsart wird eine AC-Simulation im Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz
durchgeführt. Dabei sind die OPEN, LOAD und DUT Messungen, wie in Abb.1
dargestellt, im Simulator nachzubilden. Die Simulation der OPEN Messung ist bereits
als Beispiel vorhanden. Starten sie ADS und öffnen sie das Projekt
c:/PraktikumFunktionswerkstoffe/Versuch1_prj.
Als
unbekanntes
Messobjekt
benutzen sie den Schaltplan von Abb. 2 mit den Parametern C0=1 nF, Cm=30 pF,
Lm=1.5 H und Rm=50 kΩ. Berechnen Sie aus dem Simulationsergebnis der
Spannungen am Oszilloskop mit Gleichung (5) die Kalibrierkonstante Calm und
stellen sie Realteil und Imaginärteil grafisch dar. Welche physikalische Bedeutung
hat Calm (Hinweis: bestimmen sie die Einheit).Überlegen sie, wie mit (5) bei
bekanntem Calm die gesamte Eingangsimpedanz der Quelle Z1+Zi abgeschätzt
werden kann.
Die folgenden Aufgaben werden mit EXCEL bearbeitet. Hierzu finden Sie unter
c:/PraktikumFunktionswerkstoffe/Vorlage_LF.xls ein vorgefertigtes EXCEL file als
Vorlage, mit dem die Messgeräte angesteuert werden können und die erzeugten
Daten direkt in einer EXCEL Tabelle gespeichert werden. Mit diesen Daten werden
anschliessend die Auswertungen in EXCEL durchgeführt.
Wenn Sie einen eigenen LAPTOP mit EXCEL97 oder neuer besitzen, können Sie
diesen zum Versuch mitbringen und den Versuch mit dem eigenen LAPTOP
durchführen. Ansonsten benötigen sie einen USB Speicherstick, um die während
des Versuchs erzeugten EXCEL files für die weitere Auswertung mitzunehmen.
12
Elektrotechnik Praktikum im Studiengang Funktionswerkstoffe Prof. Dr. Baureis
Stand 2010
5.2. Kalibrierung des Messaufbaus mit den bekannten Messobjekten OPEN und
LOAD im Frequenzbereich 10 kHz < Frequenz < 100 kHz mit der Schrittweite 2 kHz.
Bestimmen Sie wie in 5.1. die Kalibrierkonstante Calm und die Eingangsimpedanz der
zur
Quelle Z1+Zi . Wie groß ist der Kapazitätswert des Kondensators
Impedanzanpassung der Quelle ans Messobjekt?
5.3.
Messung des Piezos und Berechnung von Ydut nach Gleichung (7).
5.4.
Parameterextraktion des BVD-Standardmodells nach Abb.2.
5.5
Erweiterung des Standardmodells mit dielektrischem Verlustfaktor gemäß
Abb.5.
5.6. Optimierung des Modells aus 5.5 und Bestimmung der elektrischen Güte Qe,
der mechanischen Güte Qm und des elektromechanischen Wirkungsgrads Keff.
5.7
Kalibrierung des Messaufbaus mit den bekannten Messobjekten OPEN und
LOAD im Frequenzbereich 1 MHz < Frequenz < 10 MHz mit der Schrittweite
250 kHz. Hier wird keine zusätzliche Impedanzanpassung durch einen Kondensator
benötigt, da der Piezo hier niederohmig ist (Z < 100 Ω). Bestimmen Sie wie in 5.1.
die Kalibrierkonstante Calm und die Eingangsimpedanz der Quelle Z1+Zi . Wie groß
ist der Widerstandswert des Innenwiderstands der Quelle ?
5.8
Führen sie die Schritte 5.3. bis 5.6. analog durch. Beurteilen Sie die
Anpassung nach der Optimierung .
5.9
Benutzen Sie nun das hochfrequenztaugliche Ersatzschaltbild von Abb. (6) für
die simulierten Z-Parameter von Gleichung (17). Führen Sie nun eine Optimierung
der Z-Parameter durch.
Für die Ausarbeitung:
A.1. Überlegen Sie warum in den unterschiedlichen Frequenzbereichen
unterschiedliche LOAD Standards benutzt wurden.
A.2. Die piezoelektrische Koppelkonstante beträgt Kem ≈ 0.03 N/V.
Bestimmen Sie damit die effektiven mechanischen Eigenschaften für die bewegte
Masse m, die Federkonstante D und Reibungskoeffizienten d nach Gleichung (14´).
Vergleichen und diskutieren Sie das Ergebnis bei den unterschiedlichen
Resonanzfrequenzen. Zeigen Sie durch eine Dimensionsbetrachtung, daß die
Proportionalitätskonstanten C1 und C2 der Gleichungen (10) und (11) die gleichen
Einheiten besitzen.
Anhang IEEE Standard zur Piezoelektrizität aus
„IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 43,
No. 5, September 1996 pp. 737-772.“
Beachte: Im Unterschied zur bisherigen Versuchsanleitung heißen in diesem
Dokument die Bauelemente des mechanischen Schwingkreises L1,C1 und R1 .
13
Herunterladen