CN109798973B - 非接触式超声换能器固有频率的测试法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出非接触式超声换能器固有频率的测试法，连接激光发射器和激光测振仪，使用激光发射器发射连续激光，在超声换能器外壳结构上激发出超声振动，利用激光测振仪检测超声换能器结构振动情况，根据仪器内置的数据分析模块，得到振动的频域曲线，由曲线得到最大振幅对应的频率即为超声换能器的固有频率。本发明在未粘贴压电片时就检测得到固有频率信息，能提前检出不合格产品，弥补目前超声换能器结构固有频率检测技术的不足，减少生产环节成本。还可以在超声换能器已粘贴压电片而未焊接电极时检测其固有频率，结合未粘贴压电片时的固有频率，得出粘贴压电片这一环节对超声换能器结构固有频率的影响，对超声换能器的优化升级有较大意义。
Description
技术领域
本发明涉及激光超声无损检测技术领域，尤其涉及一种非接触式超声换能器固有频率的测试法。
背景技术
超声传感器是将声、电信号进行互相转换的一种能量转换装置，广泛应用于通讯、医疗、无损检测、国防等行业。其固有频率为企业加工生产的主要性能指标之一，驱动信号的频率与换能器的固有频率越接近，换能器的共振现象越明显，机电耦合系数越大，则电能转换为机械能的效率就越高，则换能器尤其是其内部的压电陶瓷就能产生能量更高的机械震荡波，同时提高超声换能器的灵敏度。因此对超声换能器固有频率的准确测量对于实际生产应用具有较大意义。
传统的工业生产中，对超声换能器固有频率的测量，是在超声换能器外壳生产成型，粘贴压电片，焊接电极等一系列复杂加工后，再将超声换能器接入阻抗分析仪以测量固有频率。用阻抗分析仪测量虽然简单快捷，准确度高，但是只能在超声换能器安装电极之后才能进行测量，而不能在超声换能器最初状态就测得固有频率，提前淘汰不合格产品，减少后续加工的生产成本。
本发明提出的非接触式超声换能器固有频率的测试法，运用激光超声测振原理，连接激光发射器和激光测振仪，使用激光发射器发射连续激光，在超声换能器外壳结构上激发出超声振动，利用激光测振仪检测超声换能器结构振动情况，根据仪器内置的数据分析模块，得到超声换能器结构振动的频域曲线，由曲线得到最大振幅对应的频率即为超声换能器的固有频率。运用本发明提出的非接触式超声换能器固有频率的测试法，可以在超声换能器未粘贴压电片时就检测得到其固有频率信息，相比传统测量方式能提前检出不合格产品，弥补目前超声换能器结构固有频率检测技术的不足，减少生产环节成本，有很大的经济意义；同时，还可以在超声换能器已粘贴压电片而未焊接电极时检测其固有频率，结合超声换能器未粘贴压电片时的固有频率，得出粘贴压电片这一生产环节对于超声换能器结构固有频率的影响，对超声换能器的优化升级有较大意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，通过激光发射器发射的连续激光，激光测振仪非接触式测振，在超声换能器生产初期快速准确的得到其固有频率，剔除不合格产品，从而减少生产环节成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
步骤一：超声换能器的制备。机械加工生产超声换能器外壳结构，做到表面光滑，反光度高。
步骤二：超声换能器上激光直射区域选择。根据振动理论及超声换能器结构，确定超声换能器结构上振幅最大区域，选定该区域为激光直射区域。
步骤三：超声换能器的安装固定。根据超声换能器在实际工程应用中的约束情况决定固定方式，选择合适的夹具。
步骤四：连接激光发射器和激光测振仪。用导线将激光发射器接入激光测振仪的外来信号接口。
步骤五：激光发射器发射激光。调整激光发射器，使发出的激光直射步骤二所选区域(超声换能器结构一侧)，根据经验设置激光频率及能量，在超声换能器结构内侧产生超声振动。
步骤六：激光侧振仪测振。调整激光测振仪，使得激光直射步骤二所选区域(超声换能器结构另一侧)，设置参数进行测量，得到超声换能器振动信息。
步骤七：数据采集及分析。利用激光测振仪数据数据采集及分析模块，对振动信息进行数据分析处理，得到超声换能器结构振动频域曲线。
步骤八：获取固有频率。根据步骤七所得频域曲线，最大振幅对应的频率即超声换能器固有频率。
更进一步地，所述超声换能器外壳结构有两种，一种为未粘贴压电片的超声换能器金属外壳结构，一种为粘贴压电片但未焊接电极的超声换能器外壳结构。
更进一步地，所述超声换能器结构上的激光直射区域，一侧照射激光发射器发射的高能激光，另一侧照射激光测振仪发射的测试激光。
更进一步地，所述夹具应夹持在超声换能器结构不产生振动或者振动较小区域，并且固定方式不应包括胶水粘接等影响超声换能器表面平整度的方法，否则将影响超声换能器后续加工。选择以上所述的两种超声换能器结构中任意一种均可。
更进一步地，所述连接完成，激光发射器成功发射激光后将向激光测振仪发出触发信号。
更进一步地，所述激光为连续波，且其能量可使超声换能器产生激光测振仪测量量程内的振动。
更进一步地，所述测量行为应在接收到触发信号后进行，并且保证测量时激光发射器持续发射激光。
更进一步地，所述数据采集与处理需采取合适的带通滤波器和平均次数，兼顾数据准确性和分析处理的时长。
更进一步地，所述固有频率准确性与激光测振仪数据采集的分辨率有关，并且超声换能器结构已粘贴压电片时，该固有频率为压电片处在电学短路边界条件下的超声换能器固有频率。
本发明提出的非接触式超声换能器固有频率的测试法，运用激光超声测振原理，连接激光发射器和激光测振仪，使用激光发射器发射连续激光，在超声换能器外壳结构上激发出超声振动，利用激光测振仪检测超声换能器结构振动情况，根据仪器内置的数据分析模块，得到超声换能器结构振动的频域曲线，由曲线得到最大振幅对应的频率即为超声换能器的固有频率。运用本发明提出的非接触式超声换能器固有频率的测试法，可以在超声换能器未粘贴压电片时就检测得到其固有频率信息，相比传统测量方式能提前检出不合格产品，弥补目前超声换能器结构固有频率检测技术的不足，减少生产环节成本，有很大的经济意义；同时，还可以在超声换能器已粘贴压电片而未焊接电极时检测其固有频率，结合超声换能器未粘贴压电片时的固有频率，得出粘贴压电片这一生产环节对于超声换能器结构固有频率的影响，对超声换能器的优化升级有较大意义。
附图说明
图1是本发明的非接触式超声换能器固有频率测试原理图；
图2是超声换能器振动的振幅-频率曲线。
具体实施方案
以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了具体的实施方案和操作过程，但本发明保护的范围不限于下述的实施例。
为使本发明的上述目的、特征能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步详细说明。
步骤一：超声换能器的制备。加工生产超声换能器外壳结构，做到表面光滑，反光度高，并选取两种生产阶段的超声换能器结构，一种为未粘贴压电片的超声换能器金属外壳结构，一种为粘贴压电片但未焊接电极的超声换能器外壳结构。
步骤二：超声换能器上激光直射区域选择。根据振动理论及超声换能器结构，确定超声换能器结构上振幅最大区域，选定该区域为激光直射区域，一侧照射激光发射器发射的高能激光，另一侧照射激光测振仪发射的测试激光，如图1所示。
步骤三：超声换能器的安装固定。选择以上所述的两种超声换能器结构中任意一种，根据超声换能器在实际工程应用中的约束情况决定固定方式，将夹具夹持在超声换能器结构不产生振动或者振动较小区域。
步骤四：连接激光发射器和激光测振仪。用导线将激光发射器接入激光测振仪的外来信号接口。若连接完成，激光发射器成功发射激光后将向激光测振仪发出触发信号。
步骤五：激光发射器发射激光。调整激光发射器，使得发出的连续激光直射步骤二所选区域(超声换能器结构一侧)，根据经验设置激光频率及能量，在超声换能器结构内侧产生激光测振仪测量量程内的超声振动。
步骤六：激光侧振仪测振。调整激光测振仪，使得激光直射步骤二所选区域(超声换能器结构另一侧)，接收到激光发射器发出的触发信号后进行测量，并保证测量时激光发射器持续发射激光，得到超声换能器振动信息。
步骤七：数据采集及分析。如图1所示，利用激光测振仪数据采集及分析模块，采取合适的带通滤波器和平均次数，对振动信息进行数据分析处理，得到超声换能器结构振动频域曲线。
步骤八：获取固有频率。根据步骤七所得频域曲线，最大振幅对应的频率即超声换能器固有频率，其准确性与激光测振仪数据采集的分辨率有关，如图2所示。在超声换能器结构已粘贴压电片时，该固有频率为压电片处在电学短路边界条件下的超声换能器固有频率。
Claims (9)
1.一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，其特征在于，包括超声换能器的制备、超声换能器的安装固定、激光发射器发射激光、激光测振仪测得振动信息，数据分析获取超声换能器固有频率；具体步骤包括：
步骤一：超声换能器的制备；机械加工生产超声换能器外壳结构，做到表面光滑，反光度高；
步骤二：超声换能器上激光直射区域选择；根据振动理论及超声换能器外壳结构，确定超声换能器外壳结构上振幅最大区域，选定该区域为激光直射区域；
步骤三：超声换能器的安装固定；根据超声换能器在实际工程应用中的约束情况决定固定方式，选择合适的夹具；
步骤四：连接激光发射器和激光测振仪；用导线将激光发射器接入激光测振仪的外来信号接口；
步骤五：激光发射器发射激光；调整激光发射器，使发出的激光直射步骤二所选的位于超声换能器外壳结构一侧的区域，根据经验设置激光频率及能量，在超声换能器外壳结构内侧产生超声振动；
步骤六：激光测振仪测振；调整激光测振仪，使得激光直射步骤二所选的位于超声换能器外壳结构另一侧的区域，设置参数进行测量，得到超声换能器振动信息；
步骤七：数据采集及分析；利用激光测振仪数据采集及分析模块，对振动信息进行数据分析处理，得到超声换能器外壳结构振动频域曲线；
步骤八：获取固有频率；根据步骤七所得频域曲线，最大振幅对应的频率即超声换能器固有频率。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，其特征在于，所述超声换能器外壳结构有两种，一种为未粘贴压电片的超声换能器金属外壳结构，一种为粘贴压电片但未焊接电极的超声换能器外壳结构。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，其特征在于，所述超声换能器外壳结构上的激光直射区域，一侧照射激光发射器发射的高能激光，另一侧照射激光测振仪发射的测试激光。
4.根据权利要求2所述的一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，其特征在于，所述夹具应夹持在超声换能器外壳结构不产生振动或者振动较小区域，并且固定方式不影响超声换能器表面平整度，否则将影响超声换能器后续加工。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，其特征在于，所述连接完成，激光发射器成功发射激光后将向激光测振仪发出触发信号。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，其特征在于，所述激光为连续波，且其能量可使超声换能器产生激光测振仪测量量程内的振动。
7.根据权利要求1所述的一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，其特征在于，所述测量行为应在接收到触发信号后进行，并且保证测量时激光发射器持续发射激光。
8.根据权利要求1所述的一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，其特征在于，所述数据采集及分析需采取合适的带通滤波器和平均次数，兼顾数据准确性和分析处理的时长。
9.根据权利要求1所述的一种非接触式超声换能器固有频率的测试法，其特征在于，所述固有频率准确性与激光测振仪数据采集的分辨率有关，并且当超声换能器外壳结构已粘贴压电片时，该固有频率为压电片处在电学短路边界条件下的超声换能器固有频率。
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