CN108645529B - 一种压电器件的自感知温度在线监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电器件的自感知温度在线监测系统及方法。压电结构在振动模态的谐振频率和反谐振频率之间会表现出非常好的感性特征，同时压电结构的特征频率具有温度依赖特性。在压电器件工作过程中，当有温升存在时会引起频率的漂移，同时会带来明显的等效电感变化。通过额外的阻抗分析电路对压电器件的等效电感进行在线监测，就能实时反映出器件的温度变化，从而实施相应的控制措施。该自感知温度在线监测系统及方法中，压电器件的工作温度监测不需要额外的温度传感器，能够实现非接触式的实时测量，尤其适合用于压电器件比较小，或其他不适宜用温度计及其他测温装置进行温度测量的场合。

Description

一种压电器件的自感知温度在线监测系统及方法
技术领域
本发明涉及压电器件温度测量领域，尤其涉及一种压电器件的自感知温度在线监测方法。
背景技术
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，利用其压电效应和逆压电效应可以制成各种压电器件,已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷的特性决定了其工作过程中需要通以一定频率的功率信号。在一定的功率下，由于压电器件会存在各种损耗(压电损耗、介电损耗、机械损耗等)，其在工作过程中会产生一定的温升，影响其工作特性。例如一片尺寸为30×20×0.4mm3的压电变压器，在没有任何散热的情况下，仅仅6W的工作功率就能产生8℃左右的温升，严重影响其工作效率。尤其当温升超过压电材料的温度极限也就是居里温度时，压电材料就会产生退极化现象而失去宏观压电性能。因此，我们需要对压电器件工作过程中的温度进行测量并进行控制。
但在实际工作过程中，我们很难对工作过程中的压电器件进行接触式温度测量，比如压电马达、压电变压器，特别是当压电器件比较小时，用热电阻或热电偶无法直接对压电器件进行准确的温度测量。虽然采用某些非接触式温度测量手段，比如红外温度测量仪、热像仪等，可以对这些器件进行温度测量，但相对于工作中的压电器件来说，这些测量手段都不经济，同时整个工作系统也会变得复杂。因此需要一种简单方便又经济的方案对压电器件进行温度测量。
发明内容
为了解决常规的温度测量方法不适用于工作中的压电器件的问题，本发明提供了一种不采用额外传感器的压电自感知温度在线监测系统及方法。压电结构在振动模态的谐振频率和反谐振频率之间会表现出非常好的感性特征，同时压电结构的特征频率具有温度依赖特性。在压电器件工作过程中，当有温升存在时会引起频率的漂移，同时会带来明显的等效电感变化。通过额外的阻抗分析电路对压电器件的等效电感进行在线监测，就能实时反映出器件的温度变化，从而实施相应的控制措施。
为了实现上述目的，本发明提供了一种压电器件的自感知温度在线监测系统，该系统包括压电器件、驱动电路、阻抗分析电路、电感-温度换算模块、温度数据实时采集模块，驱动电路与压电器件、阻抗分析电路、电感-温度换算模块、温度数据实时采集模块依次连接，其中：
所述压电器件采用压电陶瓷结构；
所述驱动电路为压电器件在应用过程中相应的频率、功率信号供给装置；
所述阻抗分析电路用于对工作在振动状态下的压电器件进行阻抗分析，分离出等效电感值，其中等效电感值与压电器件当前的工作温度值相关；
所述电感-温度换算模块，用于根据事先标定的压电器件电感-温度之间的关系，将分离出的等效电感值换算成压电器件当前工作状态下相应的温度值；
所述温度数据实时采集模块，用于将电感-温度换算模块换算出的温度值实时记录并显示，供后续工作中压电器件的温度控制使用。
进一步的，上述压电器件的自感知温度在线监测系统中，所述压电陶瓷结构包括但不限于：压电驱动器、压电换能器、压电振子、压电马达、压电变压器或压电传感器。
进一步的，上述压电器件的自感知温度在线监测系统中，所述阻抗分析电路包括：交流电桥、差动放大器和锁定放大器。
本发明还提供了一种基于上述在线监测系统的在线监测方法，包括以下步骤：
驱动电路为被监测的压电器件提供应用过程所需的频率、功率信号；所述压电器件采用压电陶瓷结构；
阻抗分析电路用于对工作在振动状态下的压电器件进行阻抗分析，分离出等效电感值，其中等效电感值与压电器件当前的工作温度值相关；
电感-温度换算模块，根据事先标定的压电器件电感-温度之间的关系，将分离出的等效电感值换算成压电器件当前工作状态下相应的温度值；
温度数据实时采集模块，将电感-温度换算模块换算出的温度值实时记录并显示，供后续工作中压电器件的温度控制使用。
本发明的优点在于：
本发明实现了对压电器件工作过程中的温度进行实时监测的功能，所述压电器件的工作温度监测不需要额外的温度传感器，直接分析压电器件工作过程中动态阻抗，解耦出其等效谐振电感部分，通过电感-温度之间的关系换算出压电器件的工作温度，实现非接触式的实时测量。该压电器件自感知温度在线监测方法易于加工制作，成本低廉，系统简单，适用于各类压电器件的应用中。
本发明在压电材料已有技术的基础上增加了温度测量功能，可进一步提高压电陶瓷的使用范围及功能。
附图说明
图1为本发明的压电器件自感知温度在线监测系统示意图；
图2为压电变压器驱动及阻抗分析模块示意图；
图3为压电变压器45kHz～100kHz频率范围内的阻抗相位图；
图4为以交流电桥为例的阻抗分析电路组成示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合以下附图，对本发明作进一步说明。此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明的一个实施例，提供一种压电器件的自感知温度在线监测方法，参照图1，包括：压电器件、驱动电路、阻抗分析电路、温度-电感换算模块以及温度数据实时采集系统。
压电器件为采用压电陶瓷结构进行的各种应用，包括但不限于：压电驱动器、压电换能器、压电振子、压电马达、压电变压器或压电传感器。当压电器件进行工作时，需要提供一定频率及功率的信号进行驱动，图1中的驱动电路就是该信号供给装置。在一定的功率条件下，由于压电器件会存在各种损耗(压电损耗、介电损耗、机械损耗等)，其在工作过程中会产生一定的温升，影响其工作特性，因此需要对温度进行测量和控制。本实施例中我们以压电变压器为例进行说明。
图2为压电变压器的典型驱动电路。供电电源为驱动电路提供直流电压，由压电变压器的功耗决定电源电压大小。驱动电路部分为压电变压器提供特定频率和功率的信号，需要将直流电源电压转换为交流信号，典型的压电变压器驱动电路有半桥逆变器、全桥逆变器、推挽型功放电路等。为了对压电变压器工作过程中的阻抗变化进行分析，需要在驱动电路和压电变压器之间再加上一阻抗分析模块，目的是将动态阻抗中的等效电感值分离出来，其中包含有温度的变化信息，可通过后续处理提取出来。
图3为一尺寸为30×20×0.4mm3的压电变压器在45kHz～100kHz之间的阻抗相位变化，相位高于0度的部分表明阻抗呈感性特征，这些相位起伏的频率段表明压电变压器工作在谐振状态。以87.6kHz～97.6kHz为例，压电变压器工作在平面扩展模态，阻抗呈现非常宽的感性状态。在感性区域段，压电变压器本身的温度变化会带来频率漂移，相应的会引起对应工作频率下的等效电感的变化。而等效电感的变化对温度非常敏感，因此可以作为敏感参数进行分析，提取出压电变压器的温度变化信息。
图4为以交流电桥为例的阻抗分析电路组成示意图。阻抗分析电路可对工作在振动状态下的压电器件进行阻抗分析，分离出等效电感和电阻值。图4中示出的阻抗分析电路包括交流电桥、差动放大器和锁定放大器等模块，其中：
交流电桥采用半桥电路，左侧两个桥路部分分别为压电变压器的等效阻抗部分和参考阻抗部分，参考阻抗的等效电感和电阻值与压电变压器工作之前的静态阻抗值相等。当压电变压器工作过程中产生温升引起阻抗变化时，该电桥能够将动态阻抗的变化转变为相应的电压输出；
差动放大器可将微弱的动态阻抗变化信号进行放大，便于后续处理，可以采用常见的仪用放大器；
锁定放大器可将动态阻抗变化信号中的电感成分与电阻成分进行分离，由于电感-温度的变化率相对于电阻更明显，因此分离后主要针对电感成分进行分析。
图1中电感-温度换算模块，可将阻抗分析电路分离出的等效电感部分，通过事先标定的压电变压器电感-温度之间的关系，换算出压电器件当前工作状态下相应的温度值；而温度数据实时采集系统，可将电感-温度换算模块计算出的温度值实时记录并显示，可供后续压电器件的温度控制使用。
本发明中涉及的本领域公知技术未做详细阐述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种压电器件的自感知温度在线监测系统，其特征在于：包括压电器件、驱动电路、阻抗分析电路、电感-温度换算模块、温度数据实时采集模块，驱动电路与压电器件、阻抗分析电路、电感-温度换算模块、温度数据实时采集模块依次连接，其中：
所述压电器件采用压电陶瓷结构，所述压电陶瓷结构包括：压电驱动器、压电换能器、压电振子、压电马达、压电变压器或压电传感器；
所述驱动电路为压电器件在应用过程中相应的频率、功率信号供给装置；
所述阻抗分析电路用于对工作在振动状态下的压电器件进行阻抗分析，分离出等效电感值，其中等效电感值与压电器件当前的工作温度值相关；
所述电感-温度换算模块，用于根据事先标定的压电器件电感-温度之间的关系，将分离出的等效电感值换算成压电器件当前工作状态下相应的温度值；
所述温度数据实时采集模块，用于将电感-温度换算模块换算出的温度值实时记录并显示，供后续工作中压电器件的温度控制使用。
2.根据权利要求1所述的压电器件的自感知温度在线监测系统，其特征在于：所述阻抗分析电路包括：交流电桥、差动放大器和锁定放大器。
3.基于权利要求1-2任一所述的在线监测系统的在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
驱动电路为被监测的压电器件提供应用过程所需的频率、功率信号；所述压电器件采用压电陶瓷结构；
阻抗分析电路用于对工作在振动状态下的压电器件进行阻抗分析，分离出等效电感值，其中等效电感值与压电器件当前的工作温度值相关；
电感-温度换算模块，根据事先标定的压电器件电感-温度之间的关系，将分离出的等效电感值换算成压电器件当前工作状态下相应的温度值；
温度数据实时采集模块，将电感-温度换算模块换算出的温度值实时记录并显示，供后续工作中压电器件的温度控制使用。
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