专利名称：一种压电晶片振动模态的测试方法
技术领域：
本发明涉及一种测试方法，特别是关于一种压电晶片振动模态的测试方法。
背景技术：
压电晶片(压电陶瓷)由于具有较高的机电转换系数和稳定的性能，因此，是现有 技术中无损检测超声探头和海底声纳等传感器的核心元件。而研究压电晶片的振动模态， 对于选用合适的压电晶片作为传感器，具有重要的意义。由于压电晶片不同的振动模态具有不同的谐振频率、位移分布和应力分布，因此 研究压电晶片的振动模态，必需通过理论计算和实验，得到各个振动模态的谐振频率、位移 分布或者应力分布。目前实验研究压电晶片振动模态的方法主要有传输线路法和光学方 法。传输线路法是通过测试压电晶片不同频率下的阻抗，绘制阻抗-频率(Z-f)曲线，阻抗 取得极小值的频率便是一个振动模态的谐振频率。传输线路法仅从电学特性表征压电晶 片，不足以全面认识其振动模态的特性。光学法可以对压电晶片的位移振动特性进行表征 而受到许多研究人员的关注。光学法之一是使用幅度扰动-电子散斑干涉仪(Amplitude FluctuationElectronic Speckle Pattern Interferometry :AF_ESPI),之二是使用激光 多普勒振动计(Laser Doppler Vibrometer :LDV)，测量处于谐振状态的试样表面各点的离 面微位移，并根据产生的干涉条纹图和测得的位移，分析振动模态。光学方法测试低频振动 模态，非常有效，但是对高频振动模态的测试，实现起来非常困难。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可对压电晶片的高、低频振动模态进行 测试，并可全面认识其振动模态特性的压电晶片振动模态的测试方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种压电晶片振动模态的测试方法， 其包括以下步骤1)设置一包括函数发生器、功率放大器、红外热像仪和计算机的测试装 置；将压电晶片试件放置在所述功率放大器的输出端，将红外热像仪正对压电晶片试件的 一个侧面，将此侧面作为测量面；2)开启函数发生器，调节函数发生器的频率f，并通过功 率放大器产生电压恒定的连续正弦波，对压电晶片试件进行激励，使压电晶片试件产生振 动；3)用红外热像仪对压电晶片试件的测量面进行连续拍摄，将拍摄得到的红外图像进行 存储和数据处理后，输送给计算机，通过计算机显示不同激励频率下压电晶片试件振动情 况的红外图像；4)根据显示的红外图像，分别选取在不同激励频率f激励下，压电晶片试 件在同一时刻后红外图像中的最高温度Ttl，进而画出一条温度与频率的Tff关系曲线，所 述Tff关系曲线中的每个温度峰值对应一个振动模态，每个振动模态所对应的频率便是这 个振动模态的谐振频率；5)选择步骤4)得到的若干谐振频率对压电晶片试件测量面的同 类面以外的其它侧面再次进行激励并进行连续拍摄，对得到红外图像进行存储和数据处理 后，输送给计算机，通过计算机观测压电晶片试件的温度变化，并进一步测得压电晶片试件 各个振动模态的分布形态。
所述步骤2)中作用于压电晶片试件的激励电压为180 200Vpp。所述步骤4)中，选取在不同激励频率f激励下，压电晶片试件在同一时刻后红外 图像中的最高温度Ttl，其中，所述同一时刻的间隔为10秒。所述压电晶片试件为长方体，所述测量面的同类面以外的其它侧面是指测量面的 左、右相邻面之一和上、下相邻面之一。所述压电晶片试件为圆柱体，所述测量面选择圆形面，所述测量面的同类面以外 的其它侧面是指测量面以外的任何一个立面。
所述压电晶片试件为圆环体，所述测量面选择圆环面，所述测量面的同类面以外 的其它侧面是指测量面以外的任何一个立面。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于设置有函数发生 器和功率放大器，可以产生电压恒定的连续正弦波，电压恒定的连续正弦波作用于压电晶 片试件，因此，可对压电晶片试件进行不同频率的激励。2、本发明将压电晶片试件在不同激 励频率下的状态通过红外热像仪进行拍摄，并将拍摄到的红外图像传送给计算机，因此，可 以通过计算机显示屏观察压电晶片试件在不同激励频率下的红外图像，通过红外图像得到 压电晶片的应力分布，从而进一步得到压电晶片的振动模态。本发明可以测定压电晶片的 各阶谐振频率，是一种简单易行、可视直观的观测压电晶片振动模态的方法，尤其适用于高 频振动模态的观测过程中。
图1是本发明测试装置结构示意2是实施例所用压电晶片试样的结构示意3是实施例所用压电晶片试样表面最高温度随激励频率变化的曲线示意4是实施例所用压电晶片试件在41. 5KHz谐振频率下的振动模态示意5是实施例所用压电晶片试件在124KHZ谐振频率下的振动模态示意6是实施例所用压电晶片试件在137KHZ谐振频率下的振动模态示意7是实施例所用压电晶片试件在200KHZ谐振频率下的振动模态示意8是实施例所用压电晶片试件在上述不同谐振频率下的红外图像
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明基于以下原理当一个压电晶片受到交变电场的激励作用时，由于逆压电效应而产生机械振动。 压电晶片在振动时，会发生电学量(电场强度和电位移)、力学量(应力和应变)以及热学 量(温度和熵)三种能量形式的转化。在不同的频率下用相同的电压激励压电晶片，激励 频率与压电晶片的某一谐振频率相等时，压电晶片便处于谐振状态，此时压电晶片从激励 电路吸收的电能量大，振动应力大，温度高；否则就处在受迫振动状态，此时压电晶片从激 励电路吸收的电能量小，振动应力小，温度低。因此，在不同的频率下用相同的电压激励压 电晶片，同时用红外热像仪观测压电晶片的温度变化，可以得到压电晶片的各个谐振频率 和压电晶片振动的应力分布，进而得到对应的振动模态。
换言之，可以在不同的频率下用相同的电压激励压电晶片，同时用红外热像仪得 到压电晶片振动的温度分布；温度分布形态的不同对应着相应的应力分布。压电晶片处于 不同的谐振状态，应力分布是不同的，且是不均勻分布的，这是该振动模态的固有特性。拍 摄谐振时压电晶片的红外图像，这样的红外图像能够对应压电晶片此时的应力分布，从而 进一步得到压电晶片的振动模态。本发明包括以下步骤 1)如图1所示，设置一用于对压电晶片进行测试的装置，该装置包括一函数发生 器1，函数发生器1的输出端连接一功率放大器2，功率放大器2的输出端设置有一压电晶 片试件3，正对压电晶片试件3，设置一用于对压电晶片试件3进行拍摄的红外热像仪4，红 外热像仪4的输出端连接一计算机5。2)开启函数发生器1，函数发生器1通过功率放大器3产生电压恒定的连续正弦 波，调节函数发生器1的频率f对压电晶片试件3进行电压恒定的连续正弦波的激励，使压 电晶片试件3产生振动。作用于压电晶片的激励电压一般为180 200Vpp，但不限于此。3)选取压电晶片试件3的某一侧面作为测量面，用红外热像仪4对压电晶片试件 3的测量面进行连续拍摄，将拍摄到的红外图像进行存储和消除噪音等数据处理，并将处理 后的红外图像传送给计算机5。4)通过计算机5的显示屏观测不同激励频率下的压电晶片试件3振动情况的红外 图像。红外图像即温度分布图像，其代表应力分布图像。不同激励频率下所产生的红外图 像是不同的，选取在不同激励频率f激励下，压电晶片试件3在同一时刻后(例如10秒，但 不限于此)红外图像中的最高温度Ttl，画出Tff关系曲线。Tff关系曲线中的每个温度峰 值对应一个振动模态，该振动模态所对应的频率便是这个振动模态的谐振频率。5)选择步骤4)中得到的若干谐振频率对压电晶片试件3测量面的同类面以外的 其它侧面再次进行激励并进行连续拍摄，对得到的红外图像进行存储和数据处理后，输送 给计算机5，通过计算机5观测压电晶片试件3的温度变化，并进一步测得压电晶片试件3 各个振动模态的分布形态。上述实施例中，当压电晶片试件3为长方体时，压电晶片试件3测量面的同类面以 外的其它侧面是指测量面的左、右相邻面之一和上、下相邻面之一；当压电晶片试件3为圆 柱体时，如果选择圆形面作为测量面，测量面的同类面以外的其它侧面是指测量面以外的 任何一个立面；当压电晶片试件3为圆环体时，选择圆环面作为测量面，测量面的同类面以 外的其它侧面是指测量面以外的任何一个立面。下面列举一具体实施例如图2所示，测试一个PZT-5长方体压电晶片试件，其尺寸为34mm (长度 L) X 14mm(宽度W) X 5mm(厚度T)。压电晶片试件厚度方向极化，厚度方向施加激励电场。1)设置采用本发明方法对压电晶片试件进行测试的装置。2)开启函数发生器，分别用相同的电压(180V)、不同的频率激励压电晶片试样。3)优选长度L与厚度T组成的侧面A作为测量面，在激励的同时用红外热像仪连 续记录侧面A的温度变化，即得到侧面A的温度分布图，并将红外图像传送给计算机。4)取每次激励开始之后侧面A经过IOs后的红外图像，取红外图像中的温度最高 点，记录此时的温度Ttl和频率值f，画出温度-频率曲线，如图3所示。图3中温度最高点所对应的频率，即是压电晶片试件的谐振频率，即得到一个振动模态。现将采用本发明测 得的谐振频率结果与用传输线路法测得的谐振频率的结果进行比较，对应的频率值，如表1 所示。表1本发明方法和传输线路法测得的谐振频率对比 同理可以得到被测压电晶片试件另外两个典型外侧面长度L与宽度W组成的侧 面B和宽度W与厚度T组成的侧面C的红外图像。5)选择步骤4)中得到的若干谐振频率，再次激励压电晶片试件其他侧面，本实施 例分别采用四个谐振频率41. 5KhzU24KhzU37KHz和200KHz对压电晶片试件进行再激励， 该压电晶片试件在不同谐振频率下的振动模态为①如图4所示，在41. 5Khz的谐振频率下，可以清楚的发现，在侧面A的1/2处温 度变化最快；在侧面B的1/2处温度变化最快；而在侧面C上温度均勻变化，且其温度变化 比在侧面A和侧面B的1/2处温度变化慢。图中阴影部分表示温度变化最快的区域。②如图5所示，在124Khz的谐振频率下，可以清楚的发现，在侧面A、侧面B和侧面 C上的1/2处温度变化最快。图中阴影部分表示温度变化最快的区域。③如图6所示，在137KHZ谐振频率下，可以清楚的发现，在侧面A上有三个区域的 温度变化最大，分别是在1/6、1/2和5/6位置处，可以看出137KHz是41. 5KHz的三次谐振 模态；而在侧面B和侧面C上的1/2处的温度变化最快。图中阴影部分表示温度变化最快 的区域。④如图7所示，在200KHZ谐振频率下，可以清楚的发现，在侧面A上有五个区域的 温度变化最大，分别是在1/10、3/10、5/10、7/10和9/10位置处，可见200KHz是41. 5KHz的 五次谐振模态；而其余两个侧面的温度几乎均勻变化。图中阴影部分表示温度变化最快的 区域。如图8所示，在上述谐振频率为41. 5Khz、124Khz、137KHz和200KHz的情况下，对 应得到的压电晶片试件不同侧面的红外图像。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。
权利要求
一种压电晶片振动模态的测试方法，其包括以下步骤1)设置一包括函数发生器、功率放大器、红外热像仪和计算机的测试装置；将压电晶片试件放置在所述功率放大器的输出端，将红外热像仪正对压电晶片试件的一个侧面，将此侧面作为测量面；2)开启函数发生器，调节函数发生器的频率f，并通过功率放大器产生电压恒定的连续正弦波，对压电晶片试件进行激励，使压电晶片试件产生振动；3)用红外热像仪对压电晶片试件的测量面进行连续拍摄，将拍摄得到的红外图像进行存储和数据处理后，输送给计算机，通过计算机显示不同激励频率下压电晶片试件振动情况的红外图像；4)根据显示的红外图像，分别选取在不同激励频率f激励下，压电晶片试件在同一时刻后红外图像中的最高温度T0，进而画出一条温度与频率的T0-f关系曲线，所述T0-f关系曲线中的每个温度峰值对应一个振动模态，每个振动模态所对应的频率便是这个振动模态的谐振频率；5)选择步骤4)得到的若干谐振频率对压电晶片试件测量面的同类面以外的其它侧面再次进行激励并进行连续拍摄，对得到红外图像进行存储和数据处理后，输送给计算机，通过计算机观测压电晶片试件的温度变化，并进一步测得压电晶片试件各个振动模态的分布形态。
2.如权利要求1所述的一种压电晶片振动模态的测试方法，其特征在于所述步骤2) 中作用于压电晶片试件的激励电压为180 200Vpp。
3.如权利要求1所述的一种压电晶片振动模态的测试方法，其特征在于所述步骤4) 中，选取在不同激励频率f激励下，压电晶片试件在同一时刻后红外图像中的最高温度Ttl， 其中，所述同一时刻的间隔为10秒。
4.如权利要求2所述的一种压电晶片振动模态的测试方法，其特征在于所述步骤4) 中，选取在不同激励频率f激励下，压电晶片试件在同一时刻后红外图像中的最高温度Ttl， 其中，所述同一时刻的间隔为10秒。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种压电晶片振动模态的测试方法，其特征在于 所述压电晶片试件为长方体，所述测量面的同类面以外的其它侧面是指测量面的左、右相 邻面之一和上、下相邻面之一。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种压电晶片振动模态的测试方法，其特征在于 所述压电晶片试件为圆柱体，所述测量面选择圆形面，所述测量面的同类面以外的其它侧 面是指测量面以外的任何一个立面。
7.如权利要求1或2或3或4所述的一种压电晶片振动模态的测试方法，其特征在于 所述压电晶片试件为圆环体，所述测量面选择圆环面，所述测量面的同类面以外的其它侧 面是指测量面以外的任何一个立面。
全文摘要
本发明涉及一种压电晶片振动模态的测试方法，其包括以下步骤1)设置一用于对压电晶片进行测试的装置；2)调节函数发生器的频率f对压电晶片进行电压恒定的连续正弦波的激励，使压电晶片产生振动；3)选取压电晶片的某一侧面，用红外热像仪对压电晶片进行连续拍摄，将拍摄到的红外图像传送给计算机；4)通过计算机观测压电晶片振动情况的红外图像，选取在不同激励频率f激励下，压电晶片同一时刻后的最高温度T0，画出T0-f关系曲线，其中每个温度峰值对应一个振动模态，其所对应的频率便是谐振频率；5)选用步骤4)中得到谐振频率，再次激励压电晶片，拍摄压电晶片不同侧面的红外图像并加以综合，观测压电晶片的温度变化，进一步测得其各个谐振模态的分布形态。
文档编号G01H9/00GK101881652SQ20101019932
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者刘畅, 刘芳, 周庆祥, 张双楠, 张恩勇, 曹静, 沙勇, 董瑞琪, 蔡桂喜 申请人:中国海洋石油总公司;中海石油研究中心;中国科学院金属研究所