CN115327233B - 一种压电谐振阻抗测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电谐振阻抗测量系统，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括交流电压源，直流电压源，高压放大器，高压低通滤波器，模拟缓冲器，高压电容，样品盒，高压直流电压表，高压高通滤波器，激光多普勒测振仪，数据采集卡，电脑和多个BNC数据采集线；软件系统包括自动测量系统，优化反馈控制系统和数据采集分析系统。本测量系统基于两个独立的直流与交流输出放大器，以在整个测量频率范围内保持交流条件不变，通过谐振阻抗谱测定小信号机电系数；特别地，谐振和反谐振的机械品质因数可以随着直流信号的变化而变化，并与压电、机械和介电系数进行比较。

Description

一种压电谐振阻抗测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统，具体指一种压电谐振阻抗测量系统。

背景技术

近些年，随着压电材料以及理论的不断发展和成熟，各种测量压电陶瓷的机电、弹性和介电参数的测量装置不断被开发，但在交流和直流组合负载下的新型测量设备还没有被商业化的开发，同时直流和交流组合的背景可以用于探索一些特别的性能。

压电谐振阻抗谱是一种标准化的测量技术，用于确定压电陶瓷的机电、弹性和介电参数，商用测量设置是为小信号测量而设计的，当在谐振、较高的场或交流和直流组合负载下需要恒定的驱动电压或电流时，小信号阻抗测试的测试结果不满足标准的要求，在测试的过程中，样品的阻抗的变化导致分压的变化，与标准不符。

现有的商用阻抗分析仪在测量过程中不能保持设定的电压，这是由于压电陶瓷在共振时阻抗可以低至几欧姆，比测量系统的阻抗低几个数量级，导致输出信号的大部分电压通过输出阻抗丢失，导致样品的交流信号振幅低于设定的电压。

发明内容

本发明的目的在于提出一种压电谐振阻抗测量系统，用于解决现阶段交流和直流组合负载下的压电阻抗谱测量不符合标准的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 一种压电谐振阻抗测量系统，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括交流电压源，直流电压源，高压放大器，高压低通滤波器，模拟缓冲器，高压电容，样品盒，高压直流电压表，高压高通滤波器，激光多普勒测振仪，数据采集卡，电脑和多个BNC数据采集线；软件系统包括自动测量系统，优化反馈控制系统和数据采集分析系统，所述交流电压源通过第一导线与所述模拟缓冲器连接，所述模拟缓冲器通过第二导线与所述高压电容连接，所述高压电容通过第三导线与所述样品盒连接，所述直流电压源通过第四导线与所述高压放大器连接，所述高压放大器通过第五导线与所述高压低通滤波器连接，所述高压低通滤波器通过第六导线与所述样品盒连接，所述高压直流电压表通过第七导线与所述高压低通滤波器连接，所述高压电容通过第八导线与所述高压高通滤波器连接，所述高压高通滤波器通过第九导线与所述数据采集卡连接，所述激光多普勒测振仪通过第十导线与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡通过第十一导线与所述电脑连接；所述样品盒包含密封腔体、法兰盘、石英观察窗、法兰盖板和密封圈，其中法兰盘通过密封圈与法兰盖板连接，石英观察窗嵌入法兰盖板中。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述模拟缓冲器调节电流带宽放大比例为1-10。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述样品盒形状可根据实际需求设定，其内部结构可根据实际需求设定。优选地，所述样品盒内部工作环境为交、直流混合电场。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述激光多普勒测振仪为单点式激光测振仪或全场扫描式激光测振仪或显微式激光测振仪。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述高压低通滤波器采用多组电容和电阻并联后再串联形成多级过滤形式，其中电容均采用470nF，并联电阻值为68MΩ，串联电阻为180KΩ。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述优化反馈控制系统采用牛顿-拉夫逊算法，其迭代次数设定为50次，通过牛顿-拉夫逊算法计算后的数据采用锁相环计算样品阻抗。

本发明的有益效果如下：基于两个独立的直流与交流输出放大器，以在整个测量频率范围内保持交流条件不变，通过谐振阻抗谱测定小信号机电系数。特别地，谐振和反谐振的机械品质因数可以随着直流信号的变化而变化，并与压电、机械和介电系数进行比较。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中压电谐振阻抗测量系统实物连接示意图；

图2为本发明实施例中样品盒具体结构示意图；

图3为本发明实施例中压电谐振阻抗测量系统结构示意图；

图4为本发明实施例中高压低通滤波器电路结构图；

图5为本发明实施例中自动测量系统流程图。

其中：1-交流电压源、2-直流电压源、3-高压放大器、4-高压低通滤波器、5-模拟缓冲器、6-高压电容、7-样品盒、71-密封腔体、72-法兰盘、73-石英观察窗、8-高压直流电压表、9-高压高通滤波器、10-激光多普勒测振仪、11-数据采集卡、12-电脑。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地 连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例

参见附图的图1至图5，一种压电谐振阻抗测量系统，其包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统：包括交流电压,1，模拟缓冲器5，高压电容6，直流电压源2，高压放大器3，高压低通滤波器4，高压直流电压表8，样品盒7，高压高通滤波器9，激光多普勒测振仪10，电流表，数据采集卡11，电脑12和多个BNC数据采集线；软件系统包括：自动测量系统，优化反馈控制系统和数据采集分析系统。

具体地，激光多普勒测振仪10为单点式激光测振仪或全场扫描式激光测振仪或显微式激光测振仪；高压低通滤波器4采用多组电容和电阻并联后再串联形成多级过滤形式，其中电容均采用470nF，并联电阻值为68MΩ，串联电阻为180KΩ。

本实施例中，硬件系统中的特征主要在于本系统包含两个独立的输出放大器分别用于直流偏置电压和交流信号。直流电压由低压直流源产生，由高压放大器放大。为了去除放大器的高频噪声，放大的直流电压在被送入样品之前被二阶无源低通滤波器过滤。一个集成的高压直流电压表8监测直流偏压。交流信号是由交流源产生的。为了增加电流能力，降低输出阻抗，并在样品的电介质击穿时保护交流源，使用了一个额外的模拟缓冲器5；一个高压电容6用于保护模拟缓冲器5免受高压直流偏置电压的影响。电容充当交流信号的高通滤波器。由于电压产生侧的输出阻抗等于模拟缓冲器5和电容的组合阻抗，而输出阻抗必须尽可能低，所以使用了一个高电容。

软件系统中采用测量自动化程序控制着系统的各个组成部分，该测量自动化控制系统包含了自动测量程序、数据采集和处理，优化反馈控制算法以保持交流信号的振幅恒定、减少介质击穿技术以及自校准和自测试程序；其中系统直流偏执电压升温到设定值后，测量程序被调用，通常响应速度为1.2Kv/min。

本压电谐振阻抗测量系统提供两种测量模式：恒定交流信号电压或恒定电流振幅，分别采用两个独立的输出放大器产生直流偏置电压和交流信号，直流电压由低压直流源产生，由增益为1000的高压放大器3放大，再通过高压低通滤波器4过滤之后送入样品盒7，同时采用高压直流电压表8监测直流偏压。交流电压源1产生交流信号后，通过模拟缓冲器5的电流带宽放大后（模拟缓冲器调节电流带宽放大比例为1-10），连接到高压电容6上，再送入到样品盒7中，其中高压电容6用于保护模拟缓冲器5免受高压直流偏置电压的影响。

进一步的，在实验系统数据采集过程中，交流信号经过一个高压高通滤波器9连接到数据采集卡11上，同时，样品盒7另一端流出的电流信号经过电流表采集后连接到数据采集卡11上，在样品盒7中的样品的位移信息通过及激光多普勒测振仪10记录数据并连接到数据采集卡11上，数据采集卡11将上述采集的信息汇总到电脑12上进行处理。

具体地，样品盒7形状为圆柱形腔体结构，样品盒7外侧开设有两个高度一致且互相垂直的视窗通道，视窗通道包括两个石英观察窗73，通道外侧焊接有法兰盘72，法兰盘72及对应的法兰盖板均通过螺栓连接，在法兰盘72与对应的法兰盖板之间均装有密封圈；且样品盒7内部工作环境为交、直流混合电场。

更进一步地，在实验系统数据采集过程中，为了防止在空气中发生介质击穿，该测量系统包括一个与气室相结合的支架和一个保护气氛（通常是六氟化硫绝缘气体或其他保护气体），允许样品在没有刚性边界条件下产生共振边界条件（刚性固定）在低压或超压的情况下进行测量。

参见附图的图5，本实施例中自动测量系统其工作流程如下：首先，测量样品实际的交流信号电压和电流的振幅，然后通过优化反馈控制算法计算交流信号源的振幅，这个过程是不断重复的，得到一个足够精确的数值，然后在选择合适的电流测量范围，当达到需要的测量条件后，进行相应的数据采集，即交流信号源的振幅和电流以及样品随时加的位移，最后确定是否已经测量了所有设定的频率点，如果条件满足，循环终止，否则，重新调用主程序。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权 利要求所限定的范围之内。

如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压电谐振阻抗测量系统，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括交流电压源（1），直流电压源（2），高压放大器（3），高压低通滤波器（4），模拟缓冲器（5），高压电容（6），样品盒（7），高压直流电压表（8），高压高通滤波器（9），激光多普勒测振仪（10），数据采集卡（11），电脑（12）和多个BNC数据采集线；软件系统包括自动测量系统，优化反馈控制系统和数据采集分析系统，其特征在于：所述交流电压源（1）通过第一导线与所述模拟缓冲器（5）连接，所述模拟缓冲器（5）通过第二导线与所述高压电容（6）连接，所述高压电容（6）通过第三导线与所述样品盒（7）连接，所述直流电压源（2）通过第四导线与所述高压放大器（3）连接，所述高压放大器（3）通过第五导线与所述高压低通滤波器（4）连接，所述高压低通滤波器（4）通过第六导线与所述样品盒（7）连接，所述高压直流电压表（8）通过第七导线与所述高压低通滤波器（4）连接，所述高压电容（6）通过第八导线与所述高压高通滤波器（9）连接，所述高压高通滤波器（9）通过第九导线与所述数据采集卡（11）连接，所述激光多普勒测振仪（10）通过第十导线与所述数据采集卡（11）连接，所述数据采集卡（11）通过第十一导线与所述电脑（12）连接；

所述样品盒（7）包含密封腔体（71）、法兰盘（72）、石英观察窗（73）、法兰盖板和密封圈，其中法兰盘（72）通过密封圈与法兰盖板连接，石英观察窗（73）嵌入法兰盖板中。

2.根据权利要求1所述的一种压电谐振阻抗测量系统，其特征在于：所述样品盒（7）形状为圆柱形腔体结构，所述样品盒（7）外侧开设有两个高度一致且互相垂直的视窗通道，所述视窗通道包括两个石英观察窗（73），通道外侧焊接有法兰盘（72），法兰盘（72）及对应的法兰盖板均通过螺栓连接，在法兰盘（72）与对应的法兰盖板之间均装有密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种压电谐振阻抗测量系统，其特征在于：所述样品盒（7）内部工作环境为交、直流混合电场。

4.根据权利要求1所述的一种压电谐振阻抗测量系统，其特征在于：所述激光多普勒测振仪（10）为单点式激光测振仪或全场扫描式激光测振仪或显微式激光测振仪。

5.根据权利要求1所述的一种压电谐振阻抗测量系统，其特征在于：所述高压低通滤波器（4）采用多组电容和电阻并联后再串联形成多级过滤形式，其中电容均采用470nF，并联电阻值为68MΩ，串联电阻为180KΩ。

6.根据权利要求1所述的一种压电谐振阻抗测量系统，其特征在于：所述优化反馈控制系统采用牛顿-拉夫逊算法，其迭代次数设定为50次，通过牛顿-拉夫逊算法计算后的数据采用锁相环计算样品阻抗。