CN102023263B - 一种压电材料检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种压电材料检测系统，包括电源模块、DSP芯片、激励矩阵开关、信号调理电路、模拟矩阵开关、带通滤波器、信号缩放电路、PC机、串行通信接口、数据表存储单元；或者用中央处理单元及数据采集和AD转换单元来替代DSP芯片，实现DSP芯片的全部功能。该系统通过检测电路中激励响应的充放电特性和谐振特性(LC特性)来反映压电材料的特性，并且与所设定的标准值进行比较，从而选取满足预定要求的压电材料。该系统采用数字化方式，利用高速数据采集提高对充放电特性信号的采样密集度，从而提高选取的成功率；对谐振特性信号进行定时采样，DFT变换使时域转频域，在频域处理谐振特性信号有利于灵活地去除干扰成分，提高系统的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电子控制测试领域，涉及一种压电材料检测系统。
背景技术
压电材料(piezoelectric material)是指当受到压力作用时会在两端面间出现电压的材料。压电材料的特征就是具有压电效应，即当受到压力作用时会在两端面间出现电压并且电荷量与压力成比例。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料还具有逆压电效应，即在外电场作用下压电材料会产生形变。利用压电材料的这些特性可实现机械振动和交流电的互相转换。
例如，目前在某些产品中使用压电材料(如压电陶瓷)的特性进行对产品的加密处理。压电材料的特性可以使用电路的激励响应的充放电特性和激励响应的谐振特性(LC特性)来体现。2008年11月5日公布的中国专利(公开号：CN 101298213A)公布了一种应用于喷墨打印机的模拟激励响应特性的方法和电路。该电路包括由振荡电路和阻容网络并联或串联而成，喷墨打印机施加的激励信号经振荡电路可得激励响应的谐振特性，经阻容网络可得激励响应的充放电特性。当激励信号施加到压电材料上，经振荡电路和阻容网络后就可获得模拟压电材料激励响应的充放电特性和激励响应的谐振特性(LC特性)。因此可以通过检测压电材料的这两个特性来判别设备的真伪。但是在批量生产此种压电材料过程中，由于材质、生产条件等各方面的因素导致压电材料的特性不一致。
如果要利用检测压电材料的激励响应的充放电特性和激励响应的谐振特性(LC特性)来判别设备的真伪，压电材料的性质就必须一致，满足预定的要求。如何从性质不一致的压电材料中选出性质一致、满足预定要求的压电材料就成为一个很重要的需要解决的难题。而目前市场上没有针对压电材料的测试装置。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是如何从性质不一致的压电材料中选出性质一致、满足预定要求的压电材料。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种压电材料检测系统，包括电源模块、中央处理单元、激励矩阵开关、信号调理电路、模拟矩阵开关、带通滤波器、信号缩放电路、数据采集和AD转换单元、PC机、串行通信接口、数据表存储单元；
电源模块分别与中央处理单元和激励矩阵开关相连，分别提供工作电源和激励电平；
中央处理单元分别与激励矩阵开关和模拟矩阵开关相连，向激励矩阵开关和模拟矩阵开关发出控制命令，中央处理单元与数据采集和AD转换单元相连，处理数据采集和AD转换单元所采集的数据；
激励矩阵开关与电源模块相连，用以将激励电平转换成激励信号，并通过激励通道将激励信号传送到被检测物体，同时实现通道切换；
信号调理电路与被检测物体相连，对激励信号作用于被检测物体后产生的检测信号进行电压跟随、限制幅度，并增强信号驱动；
模拟矩阵开关与信号调理电路相连，将来自信号调理电路的不同信号传送至不同的后端电路，实现不同特性的检测；
带通滤波器与信号缩放电路分别与模拟矩阵开关相连，分别处理不同的检测信号，带通滤波器，对谐振信号进行低频、高频滤波，并同时带有信号缩放功能，信号缩放电路为阻抗信号检测做准备，实现信号的线性放大或缩小；
数据采集和AD转换单元分别与带通滤波器与信号缩放电路相连，采集经过处理的信号并将信号进行AD转换后送入中央处理单元进行处理；
PC机通过串行通信接口与中央处理单元进行数据传输，发送命令或接受数据；
数据表存储单元与中央处理单元相连，存放标准数据表，PC机发送指令控制中央处理单元可以修改数据表存储单元中的数据。
所述压电材料检测系统还包括与中央处理单元相连的参数和结果显示模块，显示参数信息和测量结果；100P的电容负载；激励保护电路，防止被检测物体的接口短路、保护激励源元器件和释放回路，释放检测负载电路上的电量。
其中，所述电源模块提供两种激励电平，一种为35V至50V，另一种为-1V至-5V。所述信号调理电路为运算放大器组建的电压跟随器。所述带通滤波器由四阶巴特沃斯低通滤波器和四阶巴特沃斯高通滤波器组成。所述串行通信接口为232或USB。所述数据表存储单元为EEPROM存储器件。
本发明还提供了一种压电材料检测系统，包括电源模块、DSP芯片、激励矩阵开关、信号调理电路、模拟矩阵开关、带通滤波器、信号缩放电路、PC机、串行通信接口、数据表存储单元；
电源模块分别与DSP芯片和激励矩阵开关相连，分别提供工作电源和激励电平；
DSP芯片分别与激励矩阵开关和模拟矩阵开关相连，向激励矩阵开关和模拟矩阵开关发出控制命令，DSP芯片分别与带通滤波器与信号缩放电路相连，采集经过处理的信号并将信号进行AD转换后进行数据处理；
激励矩阵开关与电源模块相连，用以将激励电平转换成激励信号，并通过激励通道将激励信号传送到被检测物体，同时实现通道切换；
信号调理电路与被检测物体相连，对激励信号作用于被检测物体后产生的检测信号进行电压跟随、限制幅度，并增强信号驱动；
模拟矩阵开关与信号调理电路相连，将来自信号调理电路的不同信号传送至不同的后端电路，实现不同特性的检测；
带通滤波器与信号缩放电路分别与模拟矩阵开关相连，分别处理不同的检测信号，带通滤波器，对谐振信号进行低频、高频滤波，并同时带有信号缩放功能，信号缩放电路为阻抗信号检测做准备，实现信号的线性放大或缩小；
PC机通过串行通信接口与DSP芯片进行数据传输，发送命令或接受数据；
数据表存储单元与DSP芯片相连，存放标准数据表，PC机发送指令控制DSP芯片可以修改数据表存储单元中的数据。
所述压电材料检测系统还包括与DSP芯片相连的参数和结果显示模块，显示参数信息和测量结果；100P的电容负载；激励保护电路，防止被检测物体的接口短路、保护激励源元器件和释放回路，释放检测负载电路上的电量。
其中，所述电源模块提供两种激励电平，一种为35V至50V，另一种为-1V至-5V。所述信号调理电路为运算放大器组建的电压跟随器。所述带通滤波器由四阶巴特沃斯低通滤波器和四阶巴特沃斯高通滤波器组成。所述串行通信接口为232或USB。所述数据表存储单元为EEPROM存储器件。
本发明的技术效果是，提供了一种压电材料检测系统，可以从性质不一致的压电材料中选出性质一致、满足预定要求的压电材料。
该系统通过检测电路中激励响应的充放电特性和谐振特性(LC特性)来反映压电材料的特性，并且与所设定的标准值进行比较，从而选取满足预定要求的压电材料。该系统采用新型数字化方式，利用高速DSP进行数据的采集，提高对充放电特性信号的采样密集度，从而提高选取的成功率；对谐振特性(LC特性)信号进行定时采样，时域转频域，在频域处理谐振特性信号，有利于灵活地去除在要求频率范围以外的干扰成分，提高系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例一的系统结构示意图。
图2为本发明采用中央处理单元及数据采集和AD转换单元替代DSP芯片的实施例二的系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明提供的一种压电材料检测系统，该系统一个实施例(实施例一)的结构示意图如图1所示。从图1可以看出，该系统包括一下几个部分：电源模块、DSP芯片、激励矩阵开关、信号调理电路、模拟矩阵开关、带通滤波器、信号缩放电路、PC机、串行通信接口和数据表存储单元；以及参数和结果显示模块、电容负载、激励保护电路和释放回路。
下面结合图1详细描述本发明的实施例一。
如图1所示，DSP芯片为本发明的核心部件，主要用于发送控制命令和进行数据处理，并且该DSP芯片中包含了数据采集和AD转换单元，具有采集数据和进行AD转换的功能。本实施例中采用TMS320DSP281x芯片作为硬件平台主控芯片，开发环境CCS3.3。具体来说，DSP芯片与激励矩阵开关相连，控制激励矩阵开关将电源提供的激励电平转换成激励信号。DSP芯片与模拟矩阵开关相连，控制模拟矩阵开关的开关状态，将充放电特性信号送入信号缩放电路，将谐振特性信号送入带通滤波器中。DSP芯片采集经过带通滤波器与信号缩放电路处理的信号并将该信号进行AD转换，最后进行数据处理。DSP芯片与PC机进行通信并读取或修改数据表存储单元中的数据。
电源模块分别与DSP芯片和激励矩阵开关相连，分别提供工作电源和激励电平。电源模块有两路电源。一路供给DSP芯片，并提供5V电源；另一路电源经过两路电源芯片34063调制出两路电压，一路电压为35V至50V，优选为40V，另一路电压为-1V至-5V，优选为-5V，提供激励电路，由DSP芯片控制开关。DSP芯片供电采用单路供电并用3.3V和1.8V电源芯片提供电源。
电源模块提供的激励电平需要转换成激励信号才能对被测物体进行激励，所以需要开关进行电平转换；同时激励通道采用双通道，释放回路也采用双通道，需要开关进行通道切换，这两种功能可以用一个激励矩阵开关来实现。采用DSP的8路管脚进行控制4路电源激励，4路电源分成两种各两路，一种是上臂40V，下臂-5V；另一种上臂40V，下臂接地。上臂、下臂分别由PNP型三极管和NPN型三极管进行通断控制来实施激励。在PNP型三极管和NPN型三极管前端还有一级三极管电路，该级三极管电路由DSP进行控制，实现电平控制转换。
激励矩阵开关将激励信号送至被检测的压电材料(本实施例中采用压电陶瓷)。给压电材料一端进行电压激励，然后检测器件另一端的负载上的激励响应的充放电特性信号和谐振特性(LC特性)信号，获得充放电曲线和谐振曲线。压电材料两端都可以进行电压激励，但只能在一端进行电压激励，另一端进行信号检测。如果对一端(A端)施加激励，另一端(B端)进行检测称为正激励，那么对B端施加激励，A端进行检测称为反激励；反之亦然。由于压电材料并非对称材料，所以正反激励所检测到得信号是不相同的。
充放电特性检测电路负载选用电容大小为68p-1n，谐振特性检测电路负载选用电容大小为10p-220p，本实施例中充放电特性检测电路与谐振特性检测电路共用一个100p的电容负载，共用电容可以简化系统硬件结构。
从负载上检测得到的信号被传送到信号调理电路，对检测信号进行电压跟随、限制幅度，并增强信号驱动。检测100p电容上的电压，采用单极型场效应管运算放大器做电压跟随，由于该类运算放大器的偏置电流很小，基本不会对充放电过程中的电流形成影响，同时采用+5V和-5V供电，能够钳位电压，后端仅须经过电阻分压，DSP采样并转换该电压值。
充放电特性信号和谐振特性信号的处理采用不同的方式。所以用一个模拟矩阵开关将经过信号调理电路处理的信号区分为充放电特性信号和谐振特性信号并分别传送至信号缩放电路和带通滤波器中进行处理。本实施例中的模拟矩阵开关采用模拟矩阵芯片，由DSP芯片进行开关控制。
模拟矩阵开关将谐振特性信号送入带通滤波器电路，首先经过四阶巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，低通参数截止频率设定50KHz，放大倍数为16倍，然后再经过4阶巴特沃斯高通滤波器进行高通滤波，截止频率设定为10KHz，放大倍数为1，该带通滤波器参数可以在程序中进行适当调节。
模拟矩阵开关充放电特性信号送入信号缩放电路，该信号缩放电路采用电阻分压，然后用运算放大器实现充放电特性信号放大或缩小，为充放电特性检测做准备。
经过滤波的谐振特性信号和经过缩放的充放电特性信号都被DSP芯片采集并进行AD转换，然后进行数据处理。
根据压电材料的特性，激励电压的加载时间不同，所获取的充放电曲线也是不同的。主要的原因是对压电材料加载不同时间的激励电压，其内部阻抗不一样。本实施例通过获取压电材料的充放电曲线，与标准数据表进行比对、设定容许误差来检测压电材料是否满足需求。标准数据表采用四个延时采样表，延时时间分别为10uS、50uS、100uS和400uS。本实施例中，这四个延时时间为加载激励电压到释放钳位电压的时间，也可以选取其他时间间隔。每一个采样表均有两个子表，分别存储正反激励所获得信号数据；每个子表又具有三个采样点数据。本实施例中采用三个采样点，已经能够反映充放电曲线的特性，也可以增多采样点。所述标准数据表存储于外部EEPROM(24C02)中，可以通过PC机控制DSP芯片进行读取、修改、写入等。
经过带通滤波器的谐振特性信号，经过一定延时，避开信号阶跃的响应延时，进行定时采样，由于DSP的转换速度最快200nS以内，采用定时器启动AD转换，这样可以基本保证采样的等间隔时间，实现357K的采样率，采样点设定128点。使用128点进行离散傅立叶变化(DFT)计算，可以获取频域上的幅值，由于需求压电材料的频率比较单一，频率有一定的容许范围，所以选择在容许频率范围25KHz-42KHz的频率点计算。根据频率点对应的电压幅值大小可以判断电路谐振频率特性的优劣，进而可以判断压电材料的谐振特性的优劣，从而区分压电材料的好坏。
PC机通过串行通信接口与DSP芯片进行数据传输，发送命令或接受数据；该串行通信接口为232或USB接口，优选为USB接口。
对于信号检测和处理过程中的一些重要参数信息以及测量结果可以输出到与DSP芯片相连的参数和结果显示模块中，本实施例中采用点阵液晶屏作为参数和结果显示模块。
另外，本实施例中该系统还配备有激励保护电路，用以防止被检测物体的接口短路、保护激励源元器件以及释放回路，用以释放检测负载电路上的电量。
本实施例中的激励控制、信号检测和处理过程可以概括如下：
电源模块提供的激励电平经激励矩阵开关调控产生激励信号，对被测物体施加激励；从被测物体的负载电容上提取充放电特性信号和谐振特性信号；该信号经信号调理电路调理后由模拟矩阵开关分别送入信号缩放电路和带通滤波器进行处理；DSP芯片采集该信号并进行AD转换后进行数据处理。在DSP芯片内，所测得的充放电特性信号与标准充放电特性曲线进行比较，设定一定的容差，可以准确判断压电材料的激励响应的充放电特性的好坏。对激励响应的谐振特性(LC特性)信号进行定时采样，时域转频域，在频域处理谐振特性信号，并与所设定的参数进行比较可以准确判断压电材料的激励响应的谐振特性(LC特性)的好坏。
本发明的另外一个实施例(实施例二)中，采用中央处理单元及数据采集和AD转换单元替代实施例一中的数字信号处理(DSP)芯片，实现所述数字信号处理(DSP)芯片的全部功能。该实施例的系统结构示意图如图2所示。该系统包括电源模块、中央处理单元、激励矩阵开关、信号调理电路、模拟矩阵开关、带通滤波器、信号缩放电路、数据采集和AD转换单元、PC机、串行通信接口和数据表存储单元；以及参数和结果显示模块、电容负载、激励保护电路和释放回路。中央处理单元用于向激励控制开关和模拟矩阵开关发送控制命令，并且处理经数据采集和AD转换单元的信号；另外中央处理单元还与PC机进行通信并读取或修改数据表存储单元中的数据。数据采集和AD转换单元将从信号缩放电路采集到的充放电特性信号和从带通滤波器采集到的谐振特性信号进行AD转换后送入中央处理单元进行数据处理。
实施例二仅仅是用中央处理单元及数据采集和AD转换单元来替代实施例一中的数字信号处理(DSP)芯片，实现所述数字信号处理(DSP)芯片的全部功能。两个实施例中的其他部分及其连接关系、信号处理方式和原理等都是一样的，在此不再重复阐述。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
Claims (22)
1.一种压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统包括电源模块、中央处理单元、激励矩阵开关、信号调理电路、模拟矩阵开关、带通滤波器、信号缩放电路、数据采集和AD转换单元、PC机、串行通信接口、数据表存储单元；
电源模块分别与中央处理单元和激励矩阵开关相连，分别提供工作电源和激励电平；
中央处理单元分别与激励矩阵开关和模拟矩阵开关相连，向激励矩阵开关和模拟矩阵开关发出控制命令，中央处理单元与数据采集和AD转换单元相连，处理数据采集和AD转换单元所采集的数据；
激励矩阵开关与电源模块相连，用以将激励电平转换成激励信号，并通过激励通道将激励信号传送到被检测物体，同时实现通道切换；
信号调理电路与被检测物体相连，对激励信号作用于被检测物体后产生的检测信号进行电压跟随、限制幅度，并增强信号驱动；
模拟矩阵开关与信号调理电路相连，将来自信号调理电路的不同信号传送至不同的后端电路，实现不同特性的检测；
带通滤波器与信号缩放电路分别与模拟矩阵开关相连，分别处理不同的检测信号，带通滤波器，对谐振信号进行低频、高频滤波，所述的信号缩放电路带有信号缩放功能，信号缩放电路为阻抗信号检测做准备，实现信号的线性放大或缩小；
数据采集和AD转换单元分别与带通滤波器与信号缩放电路相连，采集经过处理的信号并将信号进行AD转换后送入中央处理单元进行处理；
PC机通过串行通信接口与中央处理单元进行数据传输，发送命令或接受数据；
数据表存储单元与中央处理单元相连，存放标准数据表，PC机发送指令控制中央处理单元可以修改数据表存储单元中的数据。
2.如权利要求1所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统还包括与中央处理单元相连的参数和结果显示模块，显示参数信息和测量结果。
3.如权利要求1所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统还包括电容负载。
4.如权利要求3所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述电容负载为100P。
5.如权利要求1所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统还包括激励保护电路，防止被检测物体的接口短路、保护激励源元器件。
6.如权利要求1所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统还包括释放回路，释放检测电路上的电量。
7.如权利要求1所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述电源模块提供两种激励电平,一种为35V至50V，另一种为-1V至-5V。
8.如权利要求1所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述信号调理电路为运算放大器组建的电压跟随器。
9.如权利要求1所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述带通滤波器由四阶巴特沃斯低通滤波器和四阶巴特沃斯高通滤波器组成。
10.如权利要求1所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述串行通信接口为232或USB。
11.如权利要求1所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述数据表存储单元为EEPROM存储器件。
12.一种压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统包括电源模块、DSP芯片、激励矩阵开关、信号调理电路、模拟矩阵开关、带通滤波器、信号缩放电路、PC机、串行通信接口、数据表存储单元；
电源模块分别与DSP芯片和激励矩阵开关相连，分别提供工作电源和激励电平；
DSP芯片分别与激励矩阵开关和模拟矩阵开关相连，向激励矩阵开关和模拟矩阵开关发出控制命令，DSP芯片分别与带通滤波器与信号缩放电路相连，采集经过处理的信号并将信号进行AD转换后进行数据处理；
激励矩阵开关与电源模块相连，用以将激励电平转换成激励信号，并通过激励通道将激励信号传送到被检测物体，同时实现通道切换；
信号调理电路与被检测物体相连，对激励信号作用于被检测物体后产生的检测信号进行电压跟随、限制幅度，并增强信号驱动；
模拟矩阵开关与信号调理电路相连，将来自信号调理电路的不同信号传送至不同的后端电路，实现不同特性的检测；
带通滤波器与信号缩放电路分别与模拟矩阵开关相连，分别处理不同的检测信号，带通滤波器，对谐振信号进行低频、高频滤波，所述的信号缩放电路带有信号缩放功能，信号缩放电路为阻抗信号检测做准备，实现信号的线性放大或缩小；
PC机通过串行通信接口与DSP芯片进行数据传输，发送命令或接受数据；
数据表存储单元与DSP芯片相连，存放标准数据表，PC机发送指令控制DSP芯片可以修改数据表存储单元中的数据。
13.如权利要求12所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统还包括与DSP芯片相连的参数和结果显示模块，显示参数信息和测量结果。
14.如权利要求12所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统还包括电容负载。
15.如权利要求14所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述电容负载为100P。
16.如权利要求12所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统还包括激励保护电路，防止被检测物体的接口短路、保护激励源元器件。
17.如权利要求12所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述压电材料检测系统还包括释放回路，释放检测电路上的电量。
18.如权利要求12所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述电源模块提供两种激励电平,一种为35V至50V，另一种为-1V至-5V。
19.如权利要求12所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述信号调理电路为运算放大器组建的电压跟随器。
20.如权利要求12所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述带通滤波器由四阶巴特沃斯低通滤波器和四阶巴特沃斯高通滤波器组成。
21.如权利要求12所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述串行通信接口为232或USB。
22.如权利要求12所述的压电材料检测系统，其特征在于，所述数据表存储单元为EEPROM存储器件。
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| 杨赫等.基于DDS的压电陶瓷性能参数综合测试系统.《仪表技术与传感器》.2007,(第6期),67-71. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102023263A (zh) | 2011-04-20 |
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