CN103063292B - 一种压电晶片谐振频率测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空材料性能检测领域，涉及一种压电晶片谐振频率测定方法。本方法采用短时高压脉冲法对压电晶片进行激励，压电晶片发生响应振动，高压脉冲为宽频激励，压电晶片的振动为选择性响应，其振动频率即为其谐振频率。本方法采用纯时域算法，直接简便，干扰因素少，精度高。一定形状的压电晶片对应不止一个谐振频率，例如圆形晶片，有高频的厚度模振动谐振频率和低频的径向模谐振频率，本发明提供的方法可以全面测定不同方向模振动的谐振频率。

Description

一种压电晶片谐振频率测定方法

技术领域

本发明属于航空材料性能检测领域，涉及一种压电晶片谐振频率测定方法。

背景技术

压电晶片是工业生产、医疗、科研中十分重要的一种元件，例如医用CT，B超，及无损检测超声仪等，谐振频率是其核心参数之一，谐振频率的高低决定了压电晶片的应用场合。

现有的压电晶片谐振频率检测方法主要为频谱分析法。即使用频率扫描的方法，对压电晶片在某一宽频范围内进行逐步扫频，根据压电晶片响应幅度大小绘制出频谱曲线，由频谱曲线判断压电晶片的谐振频率。目前还没有专门测定压电晶片谐振频率的设备，常用的测定仪器为综合阻抗分析仪，该类设备造价昂贵，检测过程复杂。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种压电晶片谐振频率测定方法，其特点是简单、快捷、低成本、高精度。

技术方案：一种压电晶片谐振频率测定方法，包括以下步骤：

对压电晶片进行短时高压脉冲激励的步骤：短时高压脉冲的脉冲宽度τ通过公式(1)确定，激励最大电压在200-450V之间；

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{{2N}_f}---\left(1\right)$

其中，N_f为压电晶片振动模方向的频率常数，l为振动模方向的尺寸；

记录压电晶片响应振动信号的步骤：采用示波器或高速数采系统进行记录；

分析计算压电晶片谐振频率的步骤：首先计算相邻两个波峰之间的时间间隔Δt，也即第一波峰与第二波峰、第二波峰与第三波峰、第三波峰与第四波峰之间的时间间隔，并进行平均得到时间间隔Δt，然后再根据Δt计算该振动模方向的谐振频率，计算方法如式(2)；

$f=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

对于高频的模振动谐振频率，直接利用公式(2)进行计算；对于低频的模谐振频率，计算Δt时，以跳过高频振动部分波形之后的波峰为第一波峰，再利用公式(2)进行计算。

有益效果：本发明的测定方法针对压电晶片的谐振频率提出，针对性专业性高，无须测量多余参数；本发明的测定方法采用纯时域算法，可直接得到压电晶片的谐振频率，不用分析频谱曲线，干扰因素少，准确度高，测定过程中需要确定的参数少，测量结果精度不依赖与输入参数精度；本发明的测定方法步骤易实现，过程主要分为两个步骤，在一般的实验室即可实现，对环境设备要求不高，实用快捷。与现有的方法，即使用综合阻抗分析仪相比，本发明的测定方法实施成本低。

附图说明

图1是本发明具体实施例连线示意图；

图2是本发明圆形压电晶片高频响应振动波形图；

图3是本发明圆形压电晶片高频响应振动周期测定图；

图4是本发明圆形压电晶片低频响应振动波形图；

图5是本发明圆形压电晶片低频响应振动周期测定图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图5。

一种压电晶片谐振频率测定方法，包括以下步骤：

对压电晶片进行短时高压脉冲激励的步骤：短时高压脉冲的脉冲宽度τ通过公式(1)确定，激励最大电压在200-450V之间；

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{{2N}_f}---\left(1\right)$

其中，N_f为压电晶片振动模方向的频率常数，l为振动模方向的尺寸；

记录压电晶片响应振动信号的步骤：采用示波器或高速数采系统进行记录；

分析计算压电晶片谐振频率的步骤：首先计算相邻两个波峰之间的时间间隔Δt，也即第一波峰与第二波峰、第二波峰与第三波峰、第三波峰与第四波峰之间的时间间隔，并进行平均得到时间间隔Δt，然后再根据Δt计算该振动模方向的谐振频率，计算方法如式(2)；

$f=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

对于高频的模振动谐振频率，直接利用公式(2)进行计算；对于低频的模谐振频率，计算Δt时，以跳过高频振动部分波形之后的波峰为第一波峰，再利用公式(2)进行计算。

对压电晶片施加脉冲激励，脉冲激励的时间τ并不是越短越好，当τ值为压电晶片谐振周期的一半左右时，检测到的响应振动波形容易辨识，计算其一个周期的振动时间较精确。由于压电晶片的谐振频率为待测量，需要事先估计，其估计算法如式(1)。

激励脉冲的最高电压值需要在200V以上，这样才能使压电晶片发生可检测的振动，振动信号可明显辨识，保证参数计算准确，不能超过450V，防止将压电晶片击穿，而达不到测定效果。

通过电学方法，检测压电晶片的响应振动信号并记录。对记录信号分析，精确计算其一个振动周期的持续时间T。

实例：

下面以外径8mm厚0.5mm的压电晶片为例说明本发明测定方法的实施过程。如图1所示连线，圆形压电晶片1的两极连接高压脉冲发射器2，示波器3的探针连接压电晶片1的两极。

首先测定圆形压电晶片1的厚度模方向振动谐振频率，将压电晶片参数(厚度方向频率常数、厚度)带入式(1)，得到τ＝0.25μs，此时压电晶片将发生自激振动，波形如图2所示。计算相邻两个波峰之间的时间间隔Δt(第一波峰与第二波峰、第二波峰与第三波峰、第三波峰与第四波峰)，如图3.，求其平均值得Δt＝0.263μs。根据Δt计算厚度模方向的谐振频率，计算方法如式(2)，得到该圆形压电晶片的厚度模谐振频率为3.8MHz。

再测定圆形压电晶片的径向振动模方向振动谐振频率。将压电晶片参数(径向频率常数、半径)带入式(1)，得到τ＝7μs，此时压电晶片将发生自激振动，波形如图4所示，由图中可以看到，负高压脉冲后的第一个波峰上耦合着高频振动，测量时跳过该波峰及高频振动波形。然后计算剩余相邻两个波峰之间的时间间隔Δt(第一波峰与第二波峰、第二波峰与第三波峰、第三波峰与第四波峰)，如图5，并求其平均值,Δt＝8.9us。根据Δt计算厚度模方向的谐振频率，计算方法如式(2)，得到该圆形压电晶片在径向模方向的谐振频率为112kHz。

Claims (1)

1.一种压电晶片谐振频率测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

对压电晶片进行短时高压脉冲激励的步骤：短时高压脉冲的脉冲宽度τ通过公式(1)确定，激励最大电压在200-450V之间；

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{2N_f}---\left(1\right)$

其中，N_f为压电晶片振动模方向的频率常数，l为振动模方向的尺寸；

记录压电晶片响应振动信号的步骤：采用示波器或高速数采系统进行记录；

分析计算压电晶片谐振频率的步骤：首先计算相邻两个波峰之间的时间间隔ΔT，也即第一波峰与第二波峰、第二波峰与第三波峰、第三波峰与第四波峰之间的时间间隔，并进行平均得到平均时间间隔Δt，然后再根据Δt计算该振动模方向的谐振频率，计算方法如式(2)；

$f=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

对于高频的模振动谐振频率，直接利用公式(2)进行计算；对于低频的模谐振频率，计算Δt时，以跳过高频振动部分波形之后的波峰为第一波峰，再利用公式(2)进行计算。