CN102095490B

CN102095490B - 一种压电晶片本征频率的测量方法

Info

Publication number: CN102095490B
Application number: CN2010105527836A
Authority: CN
Inventors: 曹静; 蔡桂喜; 张恩勇; 周庆祥; 沙勇; 董瑞琪; 刘芳; 张双楠; 刘畅
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Center
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: CN102095490A

Abstract

本发明涉及一种压电晶片本征频率的测量方法，其包括以下步骤：1)设置一包括函数发生器、压电晶片和数字示波器的测量装置；2)开启函数发生器，使其产生一定周期数的Tone-Burst正弦波信号，函数发生器以频率f对压电晶片进行电脉冲激励；当函数发生器完成周期数时，对压电晶片的电脉冲激励停止，压电晶片开始自由振动，通过数字示波器采集压电晶片两电极之间的自由振动信号；3)调节数字示波器，将步骤2)中压电晶片两电极之间的自由振动信号放大，并对该放大信号进行快速傅立叶变换分析；4)取步骤3)中傅立叶变换分析得到的频谱图上的峰值的频率，则为该被测压电晶片的本征频率；5)调节改变步骤2)中函数发生器的频率f，重复步骤3)和步骤4)，测得压电晶片的各个本征频率。

Description

一种压电晶片本征频率的测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别是关于一种压电晶片本征频率的测量方法。

背景技术

压电晶片(压电陶瓷)由于具有较高的机电转换系数和稳定的性能，因此，是现有技术中无损检测超声探头和海底声纳等传感器的核心元件。而测量压电晶片的本征频率等技术性能参数，对于选用合适的压电晶片作为传感器，具有重要的意义。目前压电晶片本征频率的测量方法主要是传输线路法，其具体步骤为：首先用信号发生器(亦称函数发生器)产生频率可调的连续正弦波电信号，施加到由压电晶片和分压电阻(或匹配电阻)组成的测量电路中，然后不断调节信号发生器的频率，当高频电压表值最大或最小时，通过频率计即可读出压电晶片的本征频率。这种测量方法实质上是一种共振(谐振)测量方法，其原理是：当某一频率的电激励信号使压电晶片处于谐振或反谐振状态时，压电晶片呈现出最大或最小阻抗，从而在高频电压表上得到最大或最小电压值。

传输线路法虽然可以同时测量出压电晶片的串联谐振频率和并联谐振频率，但是需要在特征频率附近仔细调节，并反复观测高频电压表的示值，测量费时而且不够精准。并且在这种测量方法中，还由许多限定条件，如要求信号发生器的输出阻抗低于压电晶片的阻抗，要求匹配电阻大于10倍的压电晶片的阻抗等，而在测量之前，这个阻抗值是未知的，难以预先确定，另外对测量电路的分布电容也有严格要求。而且传输线路法对试样的尺寸也有要求，例如，对圆盘形厚度振动模的压电晶片，要求直径远远大于厚度；纵向振动的圆棒形压电晶片，要求直径远远小于长度，对于尺寸相差不大的压电晶片，用传输线路法，测量的结果往往存在误差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种无需对信号发生器的输出阻抗和匹配电阻进行限定，且不受压电晶片尺寸限制的压电晶片本征频率的测量方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种压电晶片本征频率的测量方法，其包括以下步骤：1)设置一测量装置，其包括一函数发生器，所述函数发生器的输出端连接压电晶片的两电极，所述压电晶片的两电极上还并联连接一数字示波器；2)开启函数发生器，使其产生一定周期数的Tone-Burst正弦波信号，调节函数发生器以频率f对压电晶片进行电脉冲激励，使压电晶片产生振动；当函数发生器完成周期数时，对压电晶片的电脉冲激励停止，压电晶片开始自由振动，通过数字示波器采集压电晶片两电极之间的自由振动信号；3)调节数字示波器，将步骤2)中压电晶片两电极之间的自由振动信号放大，并对该放大信号进行快速傅立叶变换分析；4)取步骤3)中傅立叶变换分析得到的频谱图上的峰值的频率，则为该被测压电晶片的本征频率；5)调节改变步骤2)中函数发生器的频率f，重复步骤3)和步骤4)，可测得压电晶片的各个本征频率。

所述步骤2)中，函数发生器产生Tone-Burst正弦波信号的周期数为1～100个。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用数字示波器，可以通过对采集到的压电晶片的自由振动信号进行傅立叶变换，直接得到其本征频率，因此，无需反复仔细调节和观测读数，测量效率高，测量数值准确。2、本发明通过设置函数发生器产生Tone-Burst正弦波信号的周期数以及频率，对压电晶片进行电脉冲激励，使压电晶片产生振动，并且激励脉冲信号的频谱宽度较宽，一般会含有压电晶片本征频率的成分，因此，无需对信号发生器输出阻抗和匹配电阻等进行特殊限定，对测量数值几乎没有影响。3、本发明可对任意尺寸的压电晶片进行测量，因此，不受压电晶片的尺寸限制。本发明结构设计巧妙，操作方便，测量精度高，可广泛用于压电晶片本征频率的测量过程中。

附图说明

图1是本发明测量电路结构示意图

图2是本发明示波器测量得到的信号波形示意图

图3是本发明示波器测得的自由振动信号波形的放大示意图

图4是本发明示波器测得的自由振动信号波形的频谱示意图

图5是本发明Tone-Burst信号的一个实施例示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明基于以下原理：当一个压电晶片受到交变电场的激励作用时，由于逆压电效应而产生机械振动。当这种电激励停止时，压电晶片的这种机械振动并不会立即停止，而会存在自由衰减振动现象。在自由衰减振动期间，由于正压电效应，在压电晶片的两个电极之间，必可测得其自由振动的电压信号。通过测量和分析这种压电晶片的自由振动信号，就可测出压电晶片的本征频率。

本发明包括以下步骤：

1)如图1所示，设置一用于对压电晶片进行测量的装置，该装置包括一函数发生器1，函数发生器1的信号输出端连接压电晶片2的两电极，同时压电晶片2的两电极上还并联连接一数字示波器3。

2)如图2所示，开启函数发生器1，使其产生一定周期数(1～100个)的Tone-Burst正弦波信号A(图2中A箭头所指部分信号)，在此过程中，调节函数发生器1以频率f对压电晶片2进行电脉冲激励，使压电晶片2产生振动；当函数发生器1完成周期数时，对压电晶片2的电脉冲激励停止，压电晶片2开始自由振动，通过数字示波器3采集压电晶片2两电极之间的自由振动信号B(图2中B箭头所指部分信号)。

3)如图3所示，调节数字示波器3，将步骤2)中压电晶片2两电极之间的自由振动信号B放大，并用现有技术中的计算机软件对该放大信号进行快速傅立叶变换分析。

4)如图4所示，取步骤3)中傅立叶变换分析得到的频谱图上的峰值的频率，则为该被测压电晶片2的本征频率。

5)调节改变步骤2)中函数发生器1的频率f，从而改变Tone-Burst正弦波信号的频率到另一段频率范围，重复步骤3)和步骤4)，可测得压电晶片2的各个本征频率。

分析说明：传统的传输线路测量法需要在压电晶片的本征频率附近范围，人工仔细搜寻阻抗最小时的本征频率点，而本发明则不需这个搜寻过程。因为本发明中的Tone-Burst激励脉冲信号中含有较宽范围的各连续频率分量的信号，即激励脉冲信号的频谱宽度较宽，一般可以在测试时事先估算压电晶片的本征频率范围，设置Tone-Burst信号，使激励信号中含有压电晶片本征频率的成分，而压电晶片在本征频率激励下阻抗最小，振动最强，因此一旦停止激励后，压电晶片的自由振动信号就主要是其本征频率的信号，因而可以用傅立叶变换的方法测得其本征频率。

对Tone-Burst信号进行举例说明：

如图5所示，Tone-Burst信号类似脉冲群信号，可由函数发生器设置产生，图5中的Tone-Burst正弦波信号的频率调节为150KHz，但其频谱范围约为145～155KHz，每次脉冲信号中有9个正弦波，这种脉冲是用于激励压电晶片的，然后停顿一段时间，以一定的周期再次激励同样的脉冲，停顿的时间一般可以为0.5～2秒钟。

下面列举一具体实施例：

如图1所示，测量一个PZT-5长方体压电晶片，其尺寸为34mm(长度L)×14mm(宽度W)×5mm(厚度T)。压电晶片厚度方向极化，厚度方向施加激励电场。

1)设置采用本发明方法对压电晶片进行测量的装置。

2)如图2所示，开启函数发生器1，函数发生器1产生18个周期数的Tone-Burst正弦波信号A(图中A箭头所指部分信号)，在此过程中，函数发生器1以频率f对压电晶片2进行电脉冲激励，使压电晶片2产生振动，当函数发生器1完成周期数时，对压电晶片2的电脉冲激励停止，压电晶片2开始自由振动，用数字示波器3采集压电晶片2两电极之间的信号B(图中B箭头所指部分信号)。

3)如图3所示，调节数字示波器3，将步骤2)中得到的压电晶片两电极之间的自由振动的信号B放大，并用现有技术中的计算机软件对该放大信号进行快速傅立叶变换分析。

5)返回步骤2)，调节改变中函数发生器1的频率，重复步骤3)和步骤4)，得到的压电晶片的各个本征频率，如表1所示，可以看出，测量结果与传输线路法测量结果对应良好。

表1 本发明方法与传输线路法测量的压电晶片本征频率对比

其中，f：表示本征频率；

下标：s表示串联谐振；l表示长度振动；w表示宽度振动；t表示厚度振动；

上标：表示谐频的次数。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种压电晶片本征频率的测量方法，其包括以下步骤：

1)设置一测量装置，其包括一函数发生器，所述函数发生器的输出端连接压电晶片的两电极，所述压电晶片的两电极上还并联连接一数字示波器；

2)开启函数发生器，使其产生一定周期数的Tone-Burst正弦波信号，调节函数发生器以频率f对压电晶片进行电脉冲激励，使压电晶片产生振动；当函数发生器完成周期数时，对压电晶片的电脉冲激励停止，压电晶片开始自由振动，通过数字示波器采集压电晶片两电极之间的自由振动信号；

3)调节数字示波器，将步骤2)中压电晶片两电极之间的自由振动信号放大，并对该放大信号进行快速傅立叶变换分析；

4)取步骤3)中傅立叶变换分析得到的频谱图上的峰值的频率，则为该被测压电晶片的本征频率；

5)调节改变步骤2)中函数发生器的频率f，重复步骤3)和步骤4)，可测得压电晶片的各个本征频率。

2.如权利要求1所述的一种压电晶片本征频率的测量方法，其特征在于：所述步骤2)中，函数发生器产生Tone-Burst正弦波信号的周期数为1～100个。