一种压电陶瓷器件电参数精密分析系统的制作方法

本实用新型涉及压电器件测量技术领域，尤其涉及一种压电陶瓷器件电参数精密分析系统。

背景技术：

压电陶瓷的发现与发展已有数十年，其品种繁多，应用广泛，与压电单晶体材料相比，压电陶瓷材料具有机电耦合系数高、价格便宜、几乎能加工成任意要求的形状、易于批量生产等优点，并广泛应用于制作超声换能器、滤波器和压电蜂鸣器等器件，在国民经济、现代科技、现代国防中起着重要的作用。因此，压电器件的测量分析是保证压电器件性能质量的最关键的环节之一。

一般而言，压电器件性能好坏主要取决于以下参数：谐振频率Fs、反谐振频率Fp、静态电容C0、动态阻抗R1、动态电容C1、动态电感L1、自由电容Ct、机械品质因素Qm、平面机电耦合系数Kp、厚度伸缩机电耦合系数Kt、最大导纳Gmax、最大阻抗Zmax、最小阻抗Zmin、半功率点F1和F2。

目前国内压电陶瓷器件的测量与分析方法如下：

(1)由各压电陶瓷生产厂家自制测试系统。该方法能满足一些简易的测试要求，但对于精密的测试和分析要求不能满足，而且无法自动记录测试数据，需要人工参入记录。该方法的另外一个缺点是需要多种仪器组合测量，操作复杂，效率低下；

(2)采用美国安捷伦公司的4294A阻抗分析仪。该方法能满足一些参数的精密测试要求，但是不能针对压电器件进行专门的参数分析，而且价格昂贵；

(3)普通的LCR电桥只能测量一个或几个参数，局限性太大；

(4)国内有些厂家提供压电器件分析系统，每个系统必须配备一台电脑，这样的操作方式不便于生产线上的检验的大规模使用，而且测试精度不高。

设计一台紧凑的、精密的、能够对压电器件所有电参数进行测量和分析的系统是压电器件测量领域急需解决的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，提供一种紧凑的、精密的，能够对压电器件所有电参数进行测量和分析的系统，本实用新型提供以下技术方案：

一种压电陶瓷器件电参数精密分析系统，包括依次连接的数字模块、测量模块以及测试夹具，所述测试夹具用于连接测量模块和待测件；所述数字模块包括数字控制器、以及分别与数字控制器连接的测量控制单元、用户输入单元、显示单元、通讯接口单元、分选接口单元、数据存储单元、计算分析单元；所述测量模块包括分别与测量控制单元连接的信号源、电压电流采样单元，以及与电压电流采样单元连接的A/D转换单元，所述A/D转换单元的输出端连接计算分析单元。

数字模块中，测量控制单元用于测量模块的控制，根据用户设定的频率范围和频率步进值，输出对应的频率控制字，控制测量模块的信号源输出对应频率的信号；

用户输入单元用于接收用户输入的频率范围、频率步进值、上下限范围等参数；

显示单元用户显示压电器件阻抗-频率曲线；

通讯接口单元用于压电器件电参数分析结果的输出；

分选接口单元用于根据用户设定的上下限范围，判断产品合格或不合格，并输出合格或不合格分选信号；

数据存储单元用于保存用户输入单元输入的频率范围、频率步进值、上下限范围等数据；

计算分析单元用于对扫描测量的阻抗数据进行分析，得到压电器件电参数的分析结果；

测量模块中，所述信号源用于产生相应频率的正弦波；

电压电流采样单元用于完成被测件两端电压的采样及流经被测件的电流的采样；

A/D转换单元用于将电压、电流模拟信号转换为数字信号，供计算分析单元进行计算和分析；

对经过A/D转换的电压、电流信号进行计算分析，可以得到阻抗Z的实部R和虚部X，同时也可以得到导纳Y的实部G(电导)和虚部B(电纳)。根据不同频率的电导G和电纳B，可以绘制出对应的导纳圆。导纳圆与X轴的交点处对应的频率即为谐振频率Fs，谐振频率Fs对应的阻抗即为谐振阻抗。

进一步的，所述用户输入单元为按键输入单元。

进一步的，所述信号源为正弦波信号产生单元，所述正弦波信号产生单元的频率范围为20Hz-5MHz。

本实用新型的有益效果在于：将数字控制、模拟测量及扫描数据分析集成在一起，只用一台仪器连接一个治具就可以完成所有压电参数的测量和分析，降低了压电器件分析测量的难度，有效地提高了压电器件测量分析的效率。

附图说明

图1、本实用新型的系统结构框图。

图2、压电器件的等效电路。

图3、压电器件的导纳圆。

图4、压电器件的阻抗-频率曲线。

具体实施方式

如图1所示的一种压电陶瓷器件电参数精密分析系统，包括依次连接的数字模块、测量模块以及测试夹具，所述测试夹具用于连接测量模块和待测件；所述数字模块包括数字控制器、以及分别与数字控制器连接的测量控制单元、用户输入单元、显示单元、通讯接口单元、分选接口单元、数据存储单元、计算分析单元；所述测量模块包括分别与测量控制单元连接的信号源、电压电流采样单元，以及与电压电流采样单元连接的A/D转换单元，所述A/D转换单元的输出端连接计算分析单元。

数字模块中，测量控制单元用于测量模块的控制，根据用户设定的频率范围和频率步进值，输出对应的频率控制字，控制测量模块的信号源输出对应频率的信号；

用户输入单元用于接收用户输入的频率范围、频率步进值、上下限范围等参数；本实施例中为按键输入单元；

显示单元用户显示压电器件阻抗-频率曲线，本实施例中为液晶显示屏；

通讯接口单元用于压电器件电参数分析结果的输出；

分选接口单元用于根据用户设定的上下限范围，判断产品合格或不合格，并输出合格或不合格分选信号；分选接口可直接与PLC连接组成自动化测试设备，大大节省了人力成本，能对促进压电器件的自动化测试起到积极的促进作用。

数据存储单元用于保存用户输入单元输入的频率范围、频率步进值、上下限范围等数据；

计算分析单元用于对扫描测量的阻抗数据进行分析，得到压电器件电参数的分析结果，具体的分析依据如下：

压电器件的等效电路如图2所示，如上图所示可计算得到如式(1)和式(2)所示的静态导纳和动态导纳。

Y0＝jwC0 (1)

式中：C0为静态电容；G1和B1分别为动态导纳的实部和虚部；R1为动态电阻，L1为动态电感；C1为动态电容。

因此，可建立如式(3)所示的压电超声器件总导纳圆方程：

当等效电路动态支路为纯阻性时，压电超声振子处于谐振状态。由式(2)可知，当压电超声振子工作于谐振状态时，动态导纳的虚部为零，实部取得最大值。由上述分析可知：可利用阻抗分析仪测得压电超声器件的导纳圆，导纳圆如图3所示。导纳圆上电导G(w)最大点为压电超声振子的谐振频率Fs，而半功率点F1和F2为导纳圆上与谐振频率点相距±90°的位置，阻抗随频率的变化曲面如图4所示，阻抗最小点对应的频率为谐振频率Fs，阻抗最大点对应的频率为反谐振频率。

测量模块中，所述信号源用于产生相应频率的正弦波；所述正弦波信号产生单元的频率范围为20Hz-5MHz。

电压电流采样单元用于完成被测件两端电压的采样及流经被测件的电流的采样；

A/D转换单元用于将电压、电流模拟信号转换为数字信号，供计算分析单元进行计算和分析；

对经过A/D转换的电压、电流信号进行计算分析，可以得到阻抗Z的实部R和虚部X，同时也可以得到导纳Y的实部G(电导)和虚部B(电纳)。根据不同频率的电导G和电纳B，可以绘制出对应的导纳圆。导纳圆与X轴的交点处对应的频率即为谐振频率Fs，谐振频率Fs对应的阻抗即为谐振阻抗。

以上述依据本实用新型理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。