CN103063292B - 一种压电晶片谐振频率测定方法 - Google Patents
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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
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;
其中,Nf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);
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;
其中,Nf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);
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;
其中,Nf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);
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。
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