CN100386635C - 采用时域瞬态电流检测压电谐振模式的电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时域瞬态电流检测压电谐振模式的电路及其方法，其电路包括数字可控电压源，限流电阻R1和大容量电容C，电阻R1与大容量电容C之间连接有N-MOSFET开关，N-MOSFET开关上还连接有驱动芯片、电阻R3，驱动芯片的一端与触发信号相连，电阻R2通过电阻R4与数字示波器相连，压电振子测量端设置在电阻R2和R3之间。通过阶跃电场对同一压电振子的不同谐振模式同时进行激发，用时域方法采集瞬态充、放电电流，采用傅立叶变换对该瞬态电流进行分析，得出不同压电谐振模式对应的谐振频率及其压电参数，具有测量电路简单，成本低廉的优点，同时可以对压电器件的非稳态响应进行直观观察。采用本发明也可以设计基于阶跃或者是方波脉冲的压电振子驱动电路。

Description

采用时域瞬态电流检测压电谐振模式的电路及其方法

技术领域

本发明属于用于压电振子谐振检测的材料与元器件技术领域，涉及压电振子不同谐振模式的检测的方法及电路，特别是一种采用时域瞬态电流检测压电谐振模式的方法及其电路。

技术背景

压电晶体是一类重要的电子功能材料，也是信息领域中的重点基础材料之一。压电晶体是信息科学与材料科学两个学科交叉的产物，已成为信息领域中多个新型学科发展的材料基础。用压电晶体制成的各类电子器件具有对信息的采集、传递、转换、处理、显示、执行及对抗等功能。现在压电晶体已成为材料科学的发展前沿之一，也是发展我国现代高科技的关键和核心内容之一。自1880年P.居里和J.居里兄弟在天然石英(αβ-SiO₂)晶体(压电水晶)上发现压电效应后，已研究并进行测量的压电晶体已达近千种。铁电晶体作为压电晶体的一个重要分支，近年来取得了长足的发展。铌镁酸铅钛酸铅(PMNT)和铌锌酸铅钛酸铅(PZNT)铁电单晶的研制成功，引发了全球关于弛豫铁电单晶生长的热潮。

压电晶体最重要的用途之一是利用其压电性制成的压电振子(压电晶振)，可以用于谐振器、滤波器等用途。对压电振子的压电谐振的检测一直采用在频域逐点扫描的频谱方法，这种方法要求复杂昂贵的测试设备，如HP公司(即现在的Agilent公司)有相应的阻抗频谱仪器，但是价格昂贵，测试效率较低。

发明内容

针对压电振子检测领域存在的问题，本发明的目的是提供一种采用检测时域瞬态电流检测压电谐振模式的电路及其方法，该检测电路及其方法简单，成本低廉，可以用于压电振子的检测，同时也可以用于直观观察压电器件的非稳态响应。

本发明的构思是通过阶跃电场对同一压电振子的不同谐振模式同时进行激发，用时域方法采集瞬态充、放电电流，采用傅立叶变换对该瞬态电流进行分析，从而达到对压电振子不同压电谐振模式对应的谐振频率及其压电参数检测的目的。

本发明的理论依据是：

1)采用阶跃电场对同一压电振子的不同谐振模式同时进行激发，观察不同频率下的正弦波对压电振子不同压电模式的激发出的压电电流；由于激发是单个脉冲造成的，因此单个谐振电流的表达式为：

I(t)＝Aexp(-t/τ)×sin(2πft+phi)    (1)

式中，ω等于2πf，所不同的是采用阶跃脉冲电场激发的时候电流是由多个谐振电流组成的，因此其统一的表达式为这样谐振电流的线性求和，同时考虑到位移电流的存在，则总的电流应该包括位移电流和谐振电流两个部分：

$I\left(t\right)=A_0\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_0)+\stackrel{k}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_n)\×\sin (2\mathrm{\π}{f}_{n}t+{\mathrm{phi}}_n)---\left(2\right)$

其中第一部分衰减很快并且没有振荡，因此其对测试的影响可以忽略，然后对获得的时域电流进行傅立叶变化得到其频率，这样就可以获得不同模式下的谐振频率。

本发明通过阶跃电场对同一压电振子的不同谐振模式同时进行激发，用时域方法采集瞬态充、放电电流，采用傅立叶变换对该瞬态电流进行分析，可以得出不同压电谐振模式对应的谐振频率及其它压电参数，具有测量电路简单，成本低廉的优点，同时可以对压电器件的非稳态响应进行直观观察。采用本发明中提到的方法，可以设计基于阶跃或者方波脉冲对压电振子进行激发的驱动电路。

本发明的特点在于从理论上提出了对压电振子时域测试这一技术手段，通过相应的数学分析和电路设计，实现了这一过程，而且取得了预期的效果。

实现上述发明目的的技术解决方案是：一种采用时域瞬态电流检测压电谐振模式的电路，其特征在于，该电路包括：

一数字可控电压源，在该数字可控电压源上连接有限流电阻R1和大容量电容C，大容量电容C的一端接地；

一数字示波器，该数字示波器连接有电阻R4，电阻R4的另一端连接有电阻R2，电阻R2的另一端接地；

一N-MOSFET开关，该N-MOSFET开关的一个端口连接在电阻R1与大容量电容C之间的连线上，另一个端口连接驱动芯片IR2110的输出端，该驱动芯片IR2110的输入端与触发信号相连；N-MOSFET开关的第三个端口分别连接有压电振子和电阻R3，该电阻R3一端连接在压电振子与N-MOSFET开关的第三个端口之间的连线上，另一端接地，所述压电振子的另一端连接于电阻R4和电阻R2之间的连接线上。

上述电路检测时域瞬态电流检测压电谐振模式的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

第一步：将极化过的压电振子置于测试电路中的相应位置，极化方向与施加电场方向一致；

第二步：打开数字可控电源给电容C充电，直到电压稳定为止，同时打开数字示波器；

第三步：给一个通过驱动芯片IR2110的高电平触发信号，使N-MOSFET开关导通，使阶跃电场施加到压电振子两端；

第四步：通过示波器获取具有压电谐振电路的瞬态电流信息；

第五步：通过傅立叶变换获取时域电流中的频域信息，得到对应的谐振频率。

西安交通大学电子材料与器件教育部重点实验室在压电铁电材料与器件方面有悠久的历史和丰富的经验。本发明是西安交通大学电子材料与器件教育部重点实验室在实施科技部重大基础研究项目973材料领域“信息功能陶瓷若干基础问题研究子项目-铁电陶瓷介电非线性与可调机理研究”和国家自然科学基金项目“电场对铁电微区调制作用的研究”过程中完成的技术成果之一。

附图说明

图1是本发明检测时域瞬态电流检测压电谐振模式的电路原理图。

图2是本发明中四种不同尺寸的PZT陶瓷压电振子示意图。

图3是长条片振动模式下的瞬态电流曲线。

图4是方片剪切模式下的瞬态电流曲线。

图5是圆片振动模式下的瞬态电流曲线。

图6是长棒振动模式下的瞬态电流曲线。

图7是PMNT单晶的瞬态电流曲线。

图8是PMNT单晶瞬态电流傅立叶变换谱。

图9是PMNT单晶阻抗频率谱。

图10是本发明的应用实例图。

其中：

图1中R1为限流电阻，R2为采样电阻，R3为放电回路电阻，R4为阻抗匹配电阻，数字示波器为Tek公司的数字示波器。C为大容量电容器。高压高速开关为N-MOSFET，IR2110为相应的MOSFET开关驱动芯片。测试的时候将高压加到电容器两端，然后通过触发信号给IR2110芯片一个触发信号，来打开高压高速开关N-MOSFET，这样电压就可以在很短的时间加到被测样品的两端。这样的一个阶跃脉冲上升沿时间小于50ns。通过示波器观察其电流波形，就可以得到与压电谐振相关电流的数据。

图2为四种不同尺寸的压电振子示意图。其中(a)为长条片振动模式，该长条片尺寸长宽厚分别为25mm、5mm和1mm；(b)为方片剪切模式，该方片尺寸为长宽5mm厚度为1mm；(c)为圆片振动模式，该圆片直径为10mm厚度为0.5mm；(d)为长棒振动模式，该长棒振子尺寸为1mm×1mm×5m。

图3为长条片振动模式下的瞬态电流曲线。其中(a)为10μs；(b)为20μs；(c)为100μs；(d)为200μs；

图4为方片剪切模式下的瞬态电流曲线。其中(a)为20μs；(b)为50μs；

图5为圆片振动模式下的瞬态电流曲线。其中(a)为10μs；(b)为20μs；

图6为长棒振动模式下的瞬态电流曲线。其中(a)为20μs；(b)为50μs；(c)为100μs；(d)为200μs；

图7是PMNT单晶的瞬态电流曲线。

图8是PMNT单晶瞬态电流傅立叶变换谱。

图9是PMNT单晶阻抗频率谱。

图10是本发明对不同压电体进行测试的结果。其中(a)是对PMNT铁电单晶在不同电场强度下检测到的压电谐振电流；(b)是对PMNT铁电陶瓷在不同电场强度下检测到的压电谐振电流；(c)是对改性的PZT陶瓷在不同电场强度下检测到的压电谐振电流；(d)是对铌镁酸铅(PMN)铁电陶瓷在不同电场强度下检测到的没有压电谐振的瞬态电流。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

根据傅立叶变换理论，一个方波脉冲等效为一系列的正弦波的线性组合。这一系列的正弦波的下限频率由等于该方波的宽度的倒数，而正弦波的上限频率等于该方波上升沿时间的倒数。如果为理想正弦波，上升沿时间为0秒，则对应的上限频率为无穷大。而一个阶跃脉冲可以认为是一个具有无限宽度的方波。该阶跃脉冲，就相当于采用这的下限频率为无穷小。这样采用一个阶跃脉冲对压电振子进行激发的时候么一个频率覆盖范围很广的正弦波的集合对该压电振子进行激发。当外部的测试频率等于压电振子固有的谐振频率的时候，该谐振模式就会为激发。在阻抗频谱上表现为一个阻抗的异常以及伴随有一个损耗频率上的相位异常峰的出现。如果在时域检测其电流，W.C.Cady计算过这样一个交流频率驱动下的时域压电电流。并得到了(1)式所示的表达形式：

I(t)＝I₀sin(ωt+phi)    (1)

上式中I₀为其谐振电流幅度，ω为其振动频率，phi为相位。这样当观察谐振电流的频率就可以得出该压电振子的谐振频率。

同样当采用阶跃脉冲对压电振子进行激发的时候，可以观察到不同频率下的正弦波对压电振子不同压电模式的激发出的压电电流。由于激发是单个脉冲造成的，因此可以计算出单个谐振电流的表达式位：

I(t)＝Aexp(-t/τ)×sin(2πft+phi)    (2)

这里ω等于2πf。所不同的是采用阶跃脉冲电场激发的时候电流是由多个谐振电流组成的。因此其统一的表达式应为这样谐振电流的线性求和，同时考虑到位移电流的存在，则总的电流应该包括位移电流和谐振电流两个部分：

$I\left(t\right)=A_0\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_0)+\stackrel{k}{\mathrm{\Σ}}{A}_n\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_n)\×\sin (2\mathrm{\π}{f}_{n}t+{\mathrm{phi}}_n)---\left(3\right)$

其中第一部分衰减很快并且没有振荡，因此其对测试的影响可以忽略。然后对获得的时域电流进行傅立叶变化得到其频率，这样就可以获得不同模式下的谐振频率。

图1是检测时域瞬态电流检测压电谐振模式的电路原理图。电路包括：一数字可控电压源，在该数字可控电压源上连接有一限流电阻R1，限流电阻R1与一大容量电容C相连，电阻R1与一大容量电容C之间连接有N-MOSFET开关，N-MOSFET开关上还连接有驱动芯片IR2110、电阻R3，驱动芯片IR2110的一端与触发信号相连，电阻R3的一端与大容量电容C、电阻R2相连，电阻R2通过电阻R4与数字示波器相连，压电振子测量端设置在电阻R2和R3之间。

该电路的工作原理是：

当N-MOSFET开关关断的时候，该数字可控电压源对大容量电容C充电，当N-MOSFET开关导通的时候电容C对压电振子放电；

电容C，N-MOSFET开关，压电振子和采样电阻R2构成放电回路；驱动芯片IR2110配合N-MOSFET开关使用，输入信号通过该驱动芯片IR2110到达N-MOSFET开关，直接控制导通与关断；

数字示波器通过匹配的电阻R4与电阻R2相连，用于获取电阻R2两段的电压变化，获得流过压电振子本身的电流信息；当N-MOSFET开关再度闭合，压电振子通过电阻R3放电。

通过这个电路可以将阶跃脉冲加到样品的两端。一般该阶跃脉冲的上升沿时间小于50纳秒，其频谱范围的上限为20MHz。

压电振子的振动原理就是利用压电体的机电耦合效应。首先通过逆压电效应使电能转换为机械能，然后再通过压电效应将机械能转化为电能。这样一个周期往复的过程就构成了压电振子的周期性振动。通过不同的机电耦合系数的作用，可以得到压电振子不同模式的振动。因此也可以通过对机电耦合系数分类来对振动模式进行分类。常见的机电耦合系数有：k₃₁，k₃₃，k₁₅，k_p，k_t。这样它们对应的振动模式分别为：

1)电场垂直于长度的长度伸缩模式(k₃₁)；

2)电场平行于长度的长度伸缩模式(k₃₃)；

3)电场平行于波传播方向的厚度剪切模式(k₁₅)；

4)薄圆片的径向振动模式(k_p)；

5)电场平行于波传播方向的厚度伸缩模式(k_t)。

这五种压电振子的振动模式在合适的外加交流电场作用下就可以被激发出来.要激发这五种不同模式的振动，压电振子的尺寸是有要求的。比如，如果要激发长条片的长度振动模式，一般要求长条片的长度l要远大于其宽度w和厚度t。如果要激发圆薄片的厚度振动模式，要求其直径d要远大于其厚度t。当然同一个压电振子也同时存在多个谐振模式，如一个薄圆片同时存在厚度谐振和径向谐振，而一个长条片存在长度谐振、宽度谐振和厚度谐振。为此作者设计制作了锆钛酸铅(PZT)陶瓷不同尺寸的压电振子，以求激发出所要观察的振动模式，该样品的尺寸如图2所示。

上述电路检测时域瞬态电流检测压电谐振模式的方法，具体步骤如下：

第一：将极化过的压电振子置于测试系统中相应的位置，极化方向与施加电场方向一致。

第二：打开数字可控电源给电容C充电，直到电压稳定为止。同时打开数字示波器。

第三：给一个通过驱动芯片的高电平触发信号，使N-MOSFET开关导通。使阶跃电场施加到压电振子上。

第四：通过示波器获取具有压电谐振电路的瞬态电流信息。

第五：通过傅立叶变换获取时域电流中的频域信息，得到对应的谐振频率。

图3至图6就是采用本发明的电路对不同模式下的压电振子的不同压电模式进行激发得到的瞬态电流曲线。从图中可以看到不同振动频率的电路曲线，这与预期的振动模式相吻合。也就是说采用本发明中的电路可以对最常用的五种压电谐振模式进行激发。

图7是对PMNT单晶方片压电振子激发得到的瞬态电流曲线。图8是对图7(b)瞬态电流作傅立叶变换后得到的频率，与图9采用逐点扫描频谱方法的到的数据相对比吻合很好。这也就证明了本发明在具体应用中的可行性。

以下是发明人给出的一个具体的实施例。

实施例1：采用本发明对其它压电材料进行检测。

本实例中选取了PZT陶瓷，PMN-32PT陶瓷，PMN-32PT单晶和PMN陶瓷作为测试对象。样品为小方片或小圆片，因此可能的压电振动模式为平面径向伸缩振动模式和厚度伸缩模式。也就是说在瞬态电流谱上应该只可能观察到两个频率的振动电流。而PMN陶瓷没有压电性，因此不应观察到谐振电流。图10中瞬态电流证明了这一点。同时对PZT陶瓷，PMN-32PT陶瓷，PMN-32PT单晶的瞬态电流作傅立叶变换后得到的关于谐振频率的数据也与此用频谱扫描方式得到的数据相吻合。

Claims (2)

1.一种采用时域瞬态电流检测压电谐振模式的电路，其特征在于，该电路包括：

一数字可控电压源，在该数字可控电压源上连接有限流电阻R1和大容量电容C，大容量电容C的一端接地；

一数字示波器，该数字示波器连接有电阻R4，电阻R4的另一端连接有电阻R2，电阻R2的另一端接地；

一N-MOSFET开关，该N-MOSFET开关的一个端口连接在电阻R1与大容量电容C之间的连线上，另一个端口连接驱动芯片IR2110的输出端，该驱动芯片IR2110的输入端与触发信号相连；N-MOSFET开关的第三个端口分别连接有压电振子和电阻R3，该电阻R3一端连接在压电振子与N-MOSFET开关的第三个端口之间的连线上，另一端接地，所述压电振子的另一端连接于电阻R4和电阻R2之间的连接线上。

2.一种检测时域瞬态电流检测压电谐振模式的方法，其特征在于，该方法采用权利要求1所述的电路，具体步骤如下：

第一步：将极化过的压电振子置于测试系统中相应的位置，极化方向与施加电场方向一致；

第二步：打开数字可控电源给电容C充电，直到电压稳定为止，同时打开数字示波器；

第三步：给一个通过驱动芯片IR2110的高电平触发信号，使N-MOSFET开关导通，使阶跃电场施加到压电振子两端；

第四步：通过示波器获取具有压电谐振电路的瞬态电流信息；

第五步：通过傅立叶变换获取时域电流中的频域信息，得到对应的谐振频率。

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