РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА ОСНОВ АЛГОРИТМІЗАЦІЇ
ЗАДАЧІ УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ ПАЙКИ
П'ЄЗОКЕРАМІКИ З МЕТАЛОМ
2.1. Розробка методу інформаційного забезпечення процесу пайки п'єзокераміки з металом
При часовому суміщенні процесів пайки і поляризації необхідний контроль параметрів пайки для забезпечення максимальної п'єзоактивності і стабільності параметрів складених п'єзокерамічних перетворювачів [46].
Згідно з залежністю діелектричної проникності від температури ?(t), яка наведена на рисунку 2.1 в точках фазового переходу має місце екстремум функції, причому в точці Кюрі мається максимальне значення ?.
Рис. 2.1. Інтервал поляризації на етапі охолодження
п'єзокерамічної структури під час пайки
Виходячи з вищесказаного, для забезпечення високого ступеня поляризації, напругу, що поляризує, необхідно додавати при охолодженні п'єзокерамічного елемента з моменту зародження сегнетоелектричної фази, так як в процесі нагріву не здійснюється збереження поляризованого стану п'єзокераміки. На рисунку 2.1 схематично показаний інтервал поляризації п'єзокераміки в процесі охолодження від температури tп до температури tк.
В процесі пайки з одночасною поляризацією п'єзокерамічного матеріалу важливий не тільки момент додання напруги поляризації, а й величина напруженості електричного поля [46].
Як було зазначено вище, додання напруги поляризації великої амплітуди потребує від автоматизованої системи управління здійснення контролю стану п'єзокерамічної структури і розвитку електричного пробою. До того ж, як зазначено в розділі 1, значення пробивної напруги п'єзокерамічної структури знижується при збільшенні температури.
Так як прямий контроль температури і значення пробивної напруги в процесі всього етапу нагріву і охолодження утруднений, то пропонується застосування формального (непрямого) способу контролю стану п'єзокерамічної структури через струм витоки [47, 48]. З огляду на наявність функціональної залежності провідності п'єзокераміки від температури структури (при тих самих геометричних розмірах п'єзокерамічного елемента) при доданні напруги поляризації функціональна залежність струму витоки буде мати такий вигляд:
, (2.1)
де Iвит - струм витоки, що протікає через п'єзокерамічну структуру;
Uпол - напруга поляризації п'єзокерамічної структури;
Т - температура п'єзокерамічної структури.
Таким чином, в основі запропонованого методу інформаційного забезпечення лежить уведення інформаційного каналу контролю струму витоки п'єзокерамічної структури у реальному масштабі часу. У відповідності до поточного значення струму витоки, за спеціальними алгоритмами здійснюється управління рівнем напруги поляризації.
Такий метод застосовується в запропонованому пристрої пайки складених п'єзокерамічних перетворювачів [47], зображеному на рисунку 2.2.
На рисунку 2.2 прийняті наступні умовні позначення:
1 - п'єзокерамічний елемент;
2 - металевий резонатор;
ДС - датчик струму витоки п'єзокерамічної структури;
ДНП - джерело напруги поляризації.
Пристрій працює таким чином. На першому етапі процесу пайки здійснюється нагрів елементів складеного п'єзокерамічного перетворювача до температури розплавлювання припою. Після цього, відбувається відключення джерела нагріву, і до п'єзокерамічної структури, на етапі остигання, додається напруга поляризації. Цей етап раніше був визначений і проілюстрований на рисунку 2.1. Таким чином, додання напруги поляризації з моменту зародження сегнетоелектричної фази сприяє утворенню доменних стінок у відповідності до напрямку доданого електричного поля поляризації, а це дозволяє знизити внутрішні напруги доменної структури кристала і підвищити стабільність і рівень поляризованого стана. Під дією напруженості електричного поля через структуру п'єзокерамічного елемента починає протікати струм витоки Iвит, величина якого визначається залежністю (2.1). Під дією цього струму, на виході датчика струму ДС формується сигнал зворотного зв'язку Uзз, пропорційний струму. Uзз передається в ланцюг управління регульованого джерела напруги поляризації. У залежності від цього сигналу змінюється рівень вихідної напруги поляризації, яка додається до складеного п'єзокерамічного перетворювача.
При підвищенні температури, провідність п'єзокерамічного елемента збільшується, що викликає збільшення струму витоки Iвит. Це збільшення через ланцюг зворотного зв'язку передається до джерела напруги поляризації і знижує рівень напруги поляризації, що у свою чергу приводить до зниження струму витоки. У процесі зниження температури п'єзокерамічної структури процеси мають протилежний характер.
Уведення регульованого зворотного зв'язку за струмом витоки на етапі поляризації складеного п'єзокерамічного перетворювача дозволяє керувати величиною напруги поляризації незалежно від параметрів п'єзокерамічного елемента.
Для підвищення рівня напруги поляризації пропонується здійснювати її додання у виді імпульсів тривалістю рівною часу досягнення струмом витоки визначеного значення. Запропонований спосіб управління [49] параметрами пайки здійснюється при допомозі інформаційного параметру - струму витоки. Умовно, в цьому способі можна визначити два етапи - етап нагріву і етап охолодження. На етапі нагріву у момент часу tп, до п'єзокерамічної структури додається тестовий рівень напруги поляризації (Uполтест) і система здійснює контроль струму витоки у реальному масштабі часу. У момент часу tк, коли рівень струму витоки досягне зазначеного наперед рівня (Івитзад), нагрів п'єзокерамічного перетворювача припиняється. Схематично цей процес проілюстрований на рисунку 2.3.
Рис. 2.3. Етап нагріву складеного п'єзокерамічного перетворювача
Етап охолодження проілюстрований на рисунку 2.4 [49 - 51]. На ньому до складеного п'єзокерамічного перетворювача додається електричне поле напруженістю [6]
,(2.2)