CN104535863A - 一种压电特性参数动态扫频测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电特性参数动态扫频测试装置及方法，该方法包括如下步骤：进行压力采样，获得作用在压电陶瓷片上的压力信号；将检测获得的压力信号与设定值进行比较，根据比较结果来控制电机的正转和反转，以使施加在压电陶瓷片的压力与设定的值相同，达到压力稳定；对压电陶瓷片施加扫频信号，并采样各频点电流；调整扫频信号的频率间隔，并进行若干次循环采样各频点电流；根据若干次采样获得的各频点电流获得串联谐振频率、并联谐振频率；利用压电常数计算公式计算压电常数，本发明通过检测不同频率信号激励时线路的电流变化，实现了压电陶瓷参数的检测计算。

Description

一种压电特性参数动态扫频测试装置及方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别是涉及一种压电特性参数动态扫频测试装置及方法。

背景技术

纵向压电应变常数d₃₃是表征压电陶瓷材料机电转换性能的重要参数之一。纵向压电应变常数d₃₃以往常用动态法和静态法测量得到，前者只适宜测量特定形状且满足规定尺寸比例的试样(如高度与直径或边长比例大于2.5倍的原著和方猪)，测量必须在严格的屏蔽条件下进行，测量对象为试样的串联谐振、并联谐振频率和电容等参数，最终结果(试样的d₃₃)还需经过复杂的计算才能得到。而对形状为片状、条状、管状和高度与直径比例小于2.5倍的柱状试样，动态法根本无法对其测量；后者，为了满足一定的测试灵敏度，静态法测量施加的力较大，一般为几个至几十个牛顿，这样，对压电材料中目前应用最广的压电陶瓷而言，由于铁电材料中热释电荷引起的漂移和受力较大时易产生非线性，以及测量中加力不易均匀等因素，造成了静态法测量精度太低，重复性不好。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种压电特性参数动态扫频测试装置及方法，通过检测不同频率信号激励时线路的电流变化，实现压电陶瓷d₃₃参数的检测计算，具有性能参数检测操作方便、检测过程效率高等特点。

为达上述及其它目的，本发明提出一种压电特性参数动态扫频测试装置，包括施力装置与电路装置，其中，施力装置，压电陶瓷片(2)放在底座支撑装置(1)上，电机(7)在该电路装置的单片机程序的驱动下，传动速度经过减速器(8)减速之后，驱动涡轮蜗杆(6)传动装置，从而带动螺纹轴(5)上下运动，通过压缩和拉伸弹簧(4)来改变压片(3)作用在压电陶瓷片(2)上的压力；

电路装置，包括单片机、切换开关、继电器组及扫频信号施加电路，该单片机通过采样电路获得压力信号及电压信号，将检测到的压力信号与设定值进行比较，根据比较结果控制该切换开关，该切换开关连接该继电器组，以通过该继电器组产生控制电机(7)正转与反转的开关控制信号，当压力设定值与该压电陶瓷片上受力实际值相同时，该单片机通过该扫频信号施加电路对该压电陶瓷片施加扫频信号，通过采样各频点电流获得串联谐振频率与并联谐振频率，并利用相应公式计算获得压电常数。

进一步地，当检测到的压力信号与设定值不同时，该单片机根据结果的大小控制电机的正转与反转，以使施加在压电陶瓷片(2)的压力与设定的值相同，达到压力稳定。

进一步地，若程序或者硬件发生故障，该单片机控制其状态指示灯发出报警。

进一步地，该单片机采用如下压电参数计算公式计算压电参数：

$d_{31}^2=K_{31}^2{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{S}_{11}^E=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ρ}{\left(4L{f}_r\right)}^2}\frac{\mathrm{\ω}(C_0+C_1)}{S}\frac{f_a-f_r}{f_r}=M\frac{f_a-f_r}{f_r}$

其中，C_T为自由电容，包含低频时测出的压电陶瓷片的静动态电容总值C0、C1之和，常数ρ为压电陶瓷片体积密，S为电极面积，fr为谐振频率，L为等效串联电感，ω为扫频信号频率。

进一步地，当极化的方向与振动方向一致时，压电常数d₃₁为纵向压电应变常数d₃₃。

进一步地，该单片机调整扫频信号的频率间隔，进行多次循环，分别采样各频点电流。

为达到上述目的，本发明还提供一种压电特性参数动态扫频测试方法，包括如下步骤：

步骤一，进行压力采样，获得作用在压电陶瓷片上的压力信号；

步骤二，将检测获得的压力信号与设定值进行比较，根据比较结果来控制电机的正转和反转，以使施加在压电陶瓷片的压力与设定的值相同，达到压力稳定；

步骤三，对压电陶瓷片施加扫频信号，并采样各频点电流；

步骤四，调整扫频信号的频率间隔，并返回步骤三，进行若干次循环；

步骤五，根据若干次采样获得的各频点电流获得串联谐振频率、并联谐振频率；

步骤六，利用压电常数计算公式计算压电常数d₃₁。

进一步地，当极化的方向与振动方向一致时，压电常数d₃₁即为纵向压电应变常数d₃₃。

进一步地，于步骤二中，当比较出检测的压力信号与测定值不同时，根据结果的大小控制电机的正转与反转，并进入步骤一，反复如此，最终使得施加在压电陶瓷片上的压力与设定值相同，达到压力稳定。

进一步地，该压电常数计算公式：

$d_{31}^2=K_{31}^2{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{S}_{11}^E=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ρ}{\left(4L{f}_r\right)}^2}\frac{\mathrm{\ω}(C_0+C_1)}{S}\frac{f_a-f_r}{f_r}=M\frac{f_a-f_r}{f_r}$

其中，C_T为自由电容，包含低频时测出的压电陶瓷片的静动态电容总值C0、C1之和，常数ρ为压电陶瓷片体积密，S为电极面积，fr为谐振频率，L为等效串联电感，ω为扫频信号频率。

与现有技术相比，本发明一种压电特性参数动态扫频测试装置及方法通过检测不同频率信号激励时线路的电流变化，实现压电陶瓷d₃₃参数的检测计算，具有性能参数检测操作方便、检测过程效率高等特点。

附图说明

图1为本发明一种压电特性参数动态扫频测试装置的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例中施力装置(10)的结构示意图；

图3为本发明较佳实施例中电路装置(20)的电路示意图；

图4为本发明较佳实施例中扫频信号施加电路的电路示意图；

图5为本发明较佳实施例的总等效电路图；

图6为本发明较佳实施例中谐振曲线(A)与反谐振曲线(B)示例图；

图7为本发明一种压电特性参数动态扫频测试方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种压电特性参数动态扫频测试装置的结构示意图。如图1所示，本发明一种压电特性参数动态扫频测试装置，包括：施力装置10与电路装置20。

图2为本发明较佳实施例中施力装置(10)的结构示意图。其中，压电陶瓷片(2)放在底座支撑装置(1)上，电机7在电路装置2的单片机程序的驱动下，传动速度经过减速器8减速之后，驱动涡轮蜗杆(6)传动装置，从而带动螺纹轴(5)上下运动，通过压缩和拉伸弹簧(4)来改变压片(3)作用在压电陶瓷片(2)上的压力。

图3为本发明较佳实施例中电路装置(20)的电路示意图。其中，电路装置(2)包括单片机21、切换开关22、继电器组23、扫频信号施加电路24，其中单片机21通过采样电路获得施力装置的压力信号及电压信号，将检测到的压力信号与设定值进行比较，根据比较结果控制切换开关22，切换开关22连接继电器组23，以通过继电器组23产生控制电机正转与反转的开关控制信号B与A，继电器组23包括正向继电器与反响继电器，在切换开关22的控制下，分别产生控制电机(7)正转与反转的开关控制信号B与A，以使施加在压电陶瓷片(2)的压力与设定的值相同，达到压力稳定。如果程序或者硬件发生故障，由单片机21控制的状态指示灯将会发出报警。当压力设定值与压电陶瓷片上受力实际值相同时，单片机(21)通过扫频信号施加电路24对压电陶瓷片施加扫频信号。

图4为本发明较佳实施例中扫频信号施加电路的电路示意图。图5为本发明较佳实施例的总等效电路图。其中R_f1、C_T1为压片(3)形成的到地寄生电阻和分布电容，R_t2、C_r2、C_T2为底座支撑装置(1)形成的到地寄生电阻和分布电容，电阻R4是扫频信号等效内阻调节电阻，r是串联在压电陶瓷支路的电流采样器件，电流采样器件r用于对压电陶瓷支路进行电流采样，R_st为偏置设定电阻，其与压电陶瓷片Y1并联，用于设定放大电路的直流偏置，电阻R_st、R4串联连接形成直流通路，与压电陶瓷片Y1一起形成驱动NPN三极管的负载，R3为隔离和限流电阻，用于隔离NPN三极管基极和扫频信号输出端P3.4。

电流采样点U1设置在NPN三极管和电阻R_st的连接点，电流采样点U3设置在电阻R_st和电阻R4的连接点，电流采样点U2设置在流采样器件r和压电陶瓷Y1的连接点，这样U2-U3即为压电陶瓷片Y1的端电压，如不需准确计算，则可取U1-U3作为压电陶瓷Y1端电压亦可。

以下将说明本发明的工作原理：本发明主要通过扫频程序获得谐振频率fr与反谐振频率fa，利用电阻R、电感L、电容C_T与电流和电压的关系，根据公式即可求得压电陶瓷的d₃₃。

在本发明中，已知参数

Z＝R+jwL+1/jwC          (1)

式中，Z为阻抗，w为扫频信号频率，C为静态电容C_T。

联立求解，可得方程中电阻R、电感L的具体值。

在本发明中，由于试样本身的电容量很小，故夹具及测试系统的分布电容与自由电容C_T之比应不大于1/10，否则，测试结果要进行修正。

本发明测试d₃₃值对试样几何尺寸要求如下：板状陶瓷片的长度L_Y1与宽度W之比，即L_Y1/W>5，以确保板状陶瓷片的单一纵向长度伸缩振动的模式，避免其他振动模式对测试结果的干涉；否则，谐振曲线将出现寄生峰，不易确定谐振频率。

已知试样材料体积密ρ(kg/m³)，自由电容C_T(F)(含低频时测出的板状陶瓷片的静动态电容总值C₀、C₁之和，即C_T＝C₀+C₁)，长度L_Y1(mm)，厚度d(mm)，宽度W(mm)，试样电极面积S(mm²)。

d₃₃计算过程：

通过加入扫频激励信号，如图6本发明谐振曲线(A)与反谐振曲线(B)示例，可以读出串联谐振频率fs(Hz)、并联谐振频率fp(Hz)，以便计算d₃₃值。在d₃₃的计算过程中，要求时间与频率精确。由于精确测量串联谐振频率fs和并联谐振频率fp有难度，故可以参考π型网络传输法来测量最大谐振频率及反谐振频率，此处，fs、fp可用fr、fa代替。

谐振频率fr与之间的关系如下：

$S_{11}^E={\mathrm{\ρ}}^{-1}{\left(2L{f}_r\right)}^{-2}---\left(2\right)$

式中，ρ为试样材料的体积密，L在公式(1)中已经求出，为电场恒定时的弹性顺从系数(m²/N)，K₃₁为机电耦合系数。

K₃₁与特征频率fr、fa之间的关系如下：

$K_{31}^2=\frac{\mathrm{\π}}{4}\frac{f_a-f_r}{f_r}---\left(3\right)$

自由介电常数与静态电容C_T＝C₀+C₁的关系如下：

${\mathrm{\ϵ}}_{33}^T=\frac{\mathrm{\ω}{C}_T}{S}---\left(4\right)$

由式(2)～(4)计算得到的各参数，然后才可以得到压电常数d₃₁：

$d_{31}^2=K_{31}^2{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{S}_{11}^E=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ρ}{\left(4L{f}_r\right)}^2}\frac{\mathrm{\ω}(C_0+C_1)}{S}\frac{f_a-f_r}{f_r}=M\frac{f_a-f_r}{f_r}---\left(5\right)$

式中，CT为自由电容(含低频时测出的板状陶瓷片的静动态电容总值C₀、C₁之和)。常数是与压电陶瓷材料、形状有关的参数，当极化的方向与振动方向一致时，可视d₃₁与d₃₃计算方法相同。本发明中d₃₃的测试方法优点是测试精度高，并可同时计算出压电陶瓷材料PZT其他性能参数，如K₃₁、等。

在本发明较佳实施例中，单片机启动扫频程序，在设定频带范围如10KHz-1MHz范围内进行扫描，记录各频点电流，其最大值对应频率即串联谐振点fs，根据公式(1)即可计算压电陶瓷等效电阻R和等效电感L，电压差U1-U3最大时即为并联谐振点fp。利用公式(2)-(4)计算弹性顺从系数自由介电常数机电耦合系数K₃₁，然后根据公式(5)计算压电常数d₃₁，当极化的方向与振动方向一致时，d₃₁即纵向压电应变常数d₃₃。

图7为本发明一种压电特性参数动态扫频测试方法的步骤流程图。如图7所示，本发明一种压电特性参数动态扫频测试方法，包括如下步骤：

步骤701，进行压力采样，获得作用在压电陶瓷片上的压力信号；

步骤702，将检测获得的压力信号与设定值进行比较，根据比较结果来控制电机的正转和反转，以使施加在压电陶瓷片的压力与设定的值相同，达到压力稳定。具体地说，当比较出检测的压力信号与测定值不同时，根据结果的大小控制电机的正转与反转，并进入步骤701，反复如此，最终使得施加在压电陶瓷片上的压力与设定值相同，达到压力稳定。

步骤703，对压电陶瓷片施加扫频信号，并采样各频点电流；

步骤704，调整扫频信号的频率间隔，并返回步骤703，进行若干次循环(例如循环20次)；

步骤705，根据若干次采样获得的各频点电流获得串联谐振频率fs(Hz)、并联谐振频率fp(Hz)。

步骤706，利用压电常数计算公式计算压电常数d₃₁,当极化的方向与振动方向一致时，d₃₁即纵向压电应变常数d₃₃。

具体地说，步骤703中，启动扫频程序，在设定频带范围如10KHz-1MHz范围内进行扫描，记录各频点电流，其最大值对应频率即串联谐振点fs，根据公式(1)即可计算压电陶瓷等效电阻R和等效电感L；电压差U1-U3最大时即为并联谐振点fp。利用公式(2)-(4)计算弹性顺从系数自由介电常数机电耦合系数K₃₁，然后根据公式(5)计算压电常数d₃₁,，当极化的方向与振动方向一致时，d₃₁即为纵向压电应变常数d₃₃。

综上所述，本发明一种压电特性参数动态扫频测试装置及方法通过检测不同频率信号激励时线路的电流变化，实现压电陶瓷d₃₃参数的检测计算，具有性能参数检测操作方便、检测过程效率高等特点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种压电特性参数动态扫频测试装置，包括施力装置与电路装置，其特征在于：

施力装置，压电陶瓷片(2)放在底座支撑装置(1)上，电机(7)在该电路装置的单片机程序的驱动下，传动速度经过减速器(8)减速之后，驱动涡轮蜗杆(6)传动装置，从而带动螺纹轴(5)上下运动，通过压缩和拉伸弹簧(4)来改变压片(3)作用在压电陶瓷片(2)上的压力；

电路装置，包括单片机、切换开关、继电器组及扫频信号施加电路，该单片机通过采样电路获得压力信号及电压信号，将检测到的压力信号与设定值进行比较，根据比较结果控制该切换开关，该切换开关连接该继电器组，以通过该继电器组产生控制电机(7)正转与反转的开关控制信号，当压力设定值与该压电陶瓷片上受力实际值相同时，该单片机通过该扫频信号施加电路对该压电陶瓷片施加扫频信号，通过采样各频点电流获得串联谐振频率与并联谐振频率，并利用相应公式计算获得压电常数。

2.如权利要求1所述的一种压电特性参数动态扫频测试装置，其特征在于：当检测到的压力信号与设定值不同时，该单片机根据结果的大小控制电机的正转与反转，以使施加在压电陶瓷片(2)的压力与设定的值相同，达到压力稳定。

3.如权利要求1所述的一种压电特性参数动态扫频测试装置，其特征在于：若程序或者硬件发生故障，该单片机控制其状态指示灯发出报警。

4.如权利要求1所述的一种压电特性参数动态扫频测试装置，其特征在于，该单片机采用如下压电参数计算公式计算压电参数：

$d_{31}^2=K_{31}^2{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{S}_{11}^E=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ρ}{\left(4L{f}_r\right)}^2}\frac{\mathrm{\ω}(C_0+C_1)}{S}\frac{f_a-f_r}{f_r}=M\frac{f_a-f_r}{f_r}$

其中，C_T为自由电容，包含低频时测出的压电陶瓷片的静动态电容总值C0、C1之和，常数ρ为压电陶瓷片体积密，S为电极面积，fr为谐振频率，L为等效串联电感，w为扫频信号频率。

5.如权利要求4所述的一种压电特性参数动态扫频测试装置，其特征在于：当极化的方向与振动方向一致时，压电常数d₃₁为纵向压电应变常数d₃₃。

6.如权利要求1所述的一种压电特性参数动态扫频测试装置，其特征在于：该单片机调整扫频信号的频率间隔，进行多次循环，分别采样各频点电流。

7.一种压电特性参数动态扫频测试方法，包括如下步骤：

步骤一，进行压力采样，获得作用在压电陶瓷片上的压力信号；

步骤二，将检测获得的压力信号与设定值进行比较，根据比较结果来控制电机的正转和反转，以使施加在压电陶瓷片的压力与设定的值相同，达到压力稳定；

步骤三，对压电陶瓷片施加扫频信号，并采样各频点电流；

步骤四，调整扫频信号的频率间隔，并返回步骤三，进行若干次循环；

步骤五，根据若干次采样获得的各频点电流获得串联谐振频率、并联谐振频率；

步骤六，利用压电常数计算公式计算压电常数d₃₁。

8.如权利要求7所述的一种压电特性参数动态扫频测试方法，其特征在于：当极化的方向与振动方向一致时，压电常数d₃₁即为纵向压电应变常数d₃₃。

9.如权利要求7所述的一种压电特性参数动态扫频测试方法，其特征在于：于步骤二中，当比较出检测的压力信号与测定值不同时，根据结果的大小控制电机的正转与反转，并进入步骤一，反复如此，最终使得施加在压电陶瓷片上的压力与设定值相同，达到压力稳定。

10.如权利要求7所述的一种压电特性参数动态扫频测试方法，其特征在于，该压电常数计算公式：

$d_{31}^2=K_{31}^2{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{S}_{11}^E=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ρ}{\left(4L{f}_r\right)}^2}\frac{\mathrm{\ω}(C_0+C_1)}{S}\frac{f_a-f_r}{f_r}=M\frac{f_a-f_r}{f_r}$

其中，CT为自由电容，包含低频时测出的压电陶瓷片的静动态电容总值C0、C1之和，常数ρ为压电陶瓷片体积密，S为电极面积，fr为谐振频率，L为等效串联电感，ω为扫频信号频率。