专利名称：一种压电材料性能自动测试系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种压电材料性能自动测试系统及方法，该系统及方法主要应用于压电元器件生产过程中的性能自动检测。
背景技术：
压电材料是一种受到压力作用时会在该材料两端面间出现电压的晶体材料，包括压电晶体材料、压电陶瓷材料、压电聚合物等。目前，压电材料以其优越的压电性能被广泛地应用于航空、军事、石油工业、医疗等领域，但是不同的应用对压电材料的性能指标参数要求也有所不同。因此在压电元器件的生产制造过程中，对压电元器件的性能测试是非常重要的一个环节，需要通过性能测试来判断压电元器件的性能是否满足指标要求，并要将其记录下来，作为下一步应用的参考。
在传统的压电元器件的生产制造过程中，通常是采用一人操作读数、一人在提前设计好的表格上边编号边记录的方法来进行对压电元器件的性能测试，其中各压电元器件的直接指标可以实时读取后人工记录在表格上，但是间接指标还要等全部压电元器件测试好之后再进行人工计算后才能进一步判断其是否符合指标要求，进而再做筛选，而且，若想对某一批次的压电元器件的性能进行统计分析的话，又是一项工作量很大的工作。这样，一方面，操作读数的人员和记录数据的人员长时间工作下来很容易疲劳，难免会出错，且记录错误又不易修改，另一方面，压电元器件的间接指标需要在进行人工计算之后才能判断其是否满足要求，这不仅增加了人工计算的工作量，而且若在人工计算后判断出该压电元器件的间接指标不符合指标要求，则还需重新补充样品，重新进行测试，并且再重新根据测得的数据进行人工计算，因此导致整个测试过程效率很低。
例如，中国专利20080017250. 0公开了一种压电元件。在该专利中，采用测试仪器手动测试该压电元件的各项性能，例如分别使用Agilent 4294A阻抗分析仪测定该压电元件的压电基板的共振频率Fr、反共振频率1 、使用Agilent 53181A频率计数器测定该压电元件的压电基板的振荡频率FO等参数，对各项参数进行人工记录，此外还根据测得的参数、利用特定等效电路及公式人工计算出相关的间接参数，如机电耦合系数kl5，振荡频率变化率等等。此种测试方法，不但需要对测得的数据进行人工记录，还需要对测得的数据进行大量的人工计算，从而判断出经过人工计算后的间接数据是否满足要求。采用此方法，耗时耗力，而且在人工记录及人工计算过程中均不可避免会发生错误。发明内容
本发明的目的在于提出一种压电材料性能自动测试系统和方法，可以对压电元器件的各项性能进行自动测试，将测试人员从繁重的手动测试及记录中解放出来，大大提高测试效率。
根据本发明的一方面，提供了一种压电材料性能自动测试系统，包括控制单元、与待测压电材料相连的多个可程控测试单元、以及连接在所述控制单元与所述多个可程控测试单元之间的传输单元，所述各可程控测试单元通过所述传输单元接收来自所述控制单元的指令以对所述待测压电材料的压电性能进行自动测试，并将测试得到的直接压电性能数据通过所述传输单元反馈至所述控制单元，所述控制单元将接收到的所述直接压电性能数据发送至显示单元并进行记录，所述直接压电性能数据为包括谐振频率、谐振阻抗、反谐振频率、反谐振阻抗、电导、电抗、容抗、静态电容和介电损耗在内的直接压电性能数据。
该压电材料性能自动测试系统搭建简单、方便，可以对压电元器件的各项直接压电性能进行自动测试，与传统的测试方法相比，该系统操作简单、快捷、方便、易于保存，自动化程度高，可以大大降低劳动力成本、提高测试效率，还可避免人工测试的误操作或数据记录的笔误。
在本发明中，所述控制单元配置为根据预先设定的压电性能参数公式从测试得到的所述直接压电性能数据计算出所述待测压电材料的间接压电性能数据并发送至所述显示单元，所述间接压电性能数据为包括带宽、介电常数、机械品质因子和机电耦合系数在内的间接压电性能数据。
采用本发明，可对待测压电材料的间接参数指标进行自动测试，减少了人工计算间接参数指标的环节，不但简化了测试工序，还减少了人工计算容易发生错误的风险，提高了测试效率。
在本发明中，所述控制单元配置为对各所述直接或间接压电性能数据预先设定参考数据范围，判断测试得到的所述直接压电性能数据或计算出的所述间接压电性能数据是否在预先设定的所述参考数据范围内，将属于所述参考数据范围内的所述直接或间接压电性能数据发送至所述显示单元进行记录，对不属于所述参考数据范围内的所述直接或间接压电性能数据，所述控制单元向所述显示单元发送更换待测压电材料的提示指令。
采用本发明，还可在测试过程中根据预先设定的参数范围，对待测压电材料自动进行合格判断，将不合格品剔除，对合格品的各指标参数进行记录。与传统方法相比，节省了在人工计算间接参数指标后再进行人工判断合格的过程，简化了测试过程，并节省了测试时间。
在本发明中，所述可程控测试单元为内置GPIB接口的测试装置，且所述传输单元包括USB/GPIB接口转换装置、连接在所述USB/GPIB接口转换装置的一端与所述控制单元之间的USB电缆、以及连接在所述USB/GPIB接口转换装置的另一端与所述各可程控测试单元之间的GPIB电缆。
采用本发明，利用USB/GPIB接口的数据传输功能，有利于实现测试单元与控制单元之间的快速、准确的数据传输。
在本发明中，所述控制单元配置为通过采用Visual Basic语言编程进行控制，并使所述显示单元通过excel表格的形式对压电性能数据进行记录，且所述控制单元还配置为通过调用所述可程控测试单元的专用控制仪器编程语言经由所述传输单元对所述可程控测试单元进行控制。
采用本发明，有利于实现控制单元对可程控测试单元的控制，且基于excel强大的表格处理功能，用Visual Basic编程来实现软件的可视性和可操作性。
在本发明中，所述控制单元还配置为通过excel的统计功能对记录于所述显示单元的所述压电性能数据进行自动编号、自动统计分析。
采用本发明，有利于测试人员对所记录的测试结果的读取、使用，并可对测试结果中的各项数据自动进行统计分析，避免了大量的人工统计工作，提高了工作效率。
在本发明中，所述待测压电材料通过测试夹具与所述各可程控测试单元相连。
采用本发明，有利于待测压电材料与测试单元之间建立可靠的连接，也便于更换待测压电材料，使整个测试过程更简单。
根据本发明的另一方面，提供了一种压电材料性能自动测试方法，包括提供控制单元以及与待测压电材料相连的多个可程控测试单元；将所述控制单元与所述多个可程控测试单元通过传输单元相连；控制所述控制单元以通过所述传输单元向所述各可程控测试单元发送指令，对所述待测压电材料的压电性能进行自动测试；所述各可程控测试单元将测试得到的直接压电性能数据通过所述传输单元反馈至所述控制单元；所述控制单元将接收到的所述直接压电性能数据发送至显示单元并进行记录；所述直接压电性能数据为包括谐振频率、谐振阻抗、反谐振频率、反谐振阻抗、电导、电抗、容抗、静态电容和介电损耗在内的直接压电性能数据。
采用本方法，可以对压电元器件的各项直接压电性能进行自动测试，与传统的测试方法相比，该方法操作简单、快捷、方便、易于保存，自动化程度高，可以大大降低劳动力成本、提高测试效率，还可避免人工测试的误操作或数据记录的笔误。
该方法还包括控制所述控制单元以根据预先设定的压电性能参数公式从测试得到的所述直接压电性能数据计算出所述待测压电材料的间接压电性能数据并发送至所述显示单元，所述间接压电性能数据为包括带宽、介电常数、机械品质因子和机电耦合系数在内的间接压电性能数据。
采用本方法，可对待测压电材料的间接参数指标进行自动测试，减少了人工计算间接参数指标的环节，不但简化了测试工序，还减少了人工计算容易发生错误的风险，提高了测试效率。
该方法还包括控制所述控制单元以对各所述直接或间接压电性能数据预先设定参考数据范围，判断测试得到的所述直接压电性能数据或计算出的所述间接压电性能数据是否在预先设定的所述参考数据范围内，将属于所述参考数据范围内的所述直接或间接压电性能数据发送至所述显示单元进行记录，对不属于所述参考数据范围内的所述直接或间接压电性能数据，所述控制单元向所述显示单元发送更换待测压电材料的提示指令。
采用本方法，还可在测试过程中根据预先设定的参数范围，对待测压电材料自动进行合格判断，将不合格品剔除，对合格品的各指标参数进行记录。与传统方法相比，节省了在人工计算间接参数指标后再进行人工判断合格的过程，简化了测试过程，并节省了测试时间。
该方法还包括使所述可程控测试单元为内置GPIB接口的测试装置，且所述传输单元包括USB/GPIB接口转换装置、连接在所述USB/GPIB接口转换装置的一端与所述控制单元之间的USB电缆、以及连接在所述USB/GPIB接口转换装置的另一端与所述各可程控测试单元之间的GPIB电缆。
采用本方法，利用USB/GPIB接口的数据传输功能，有利于实现测试单元与控制单元之间的快速、准确的数据传输。
该方法还包括所述控制单元通过采用Visual Basic语言编程进行控制，并使所述显示单元通过excel表格的形式对压电性能数据进行记录，且所述控制单元通过调用所述可程控测试单元的专用控制仪器编程语言经由所述传输单元对所述可程控测试单元进行控制。
采用本方法，有利于实现控制单元对可程控测试单元的控制，且基于excel强大的表格处理功能，用Visual Basic编程来实现软件的可视性和可操作性。
该方法还包括控制所述控制单元以通过excel的统计功能对记录于所述显示单元的所述压电性能数据进行自动编号、自动统计分析。
采用本方法，有利于测试人员对所记录的测试结果的读取、使用，并可对测试结果中的各项数据自动进行统计分析，避免了大量的人工统计工作，提高了工作效率。
该方法还包括将所述待测压电材料通过测试夹具与所述各可程控测试单元相连。
采用本方法，有利于待测压电材料与测试单元之间建立可靠的连接，也便于更换待测压电材料，使整个测试过程更简单。
在本方法中，所述待测压电材料可以是圆片型压电材料。
其中，所述待测压电材料的带宽Δ f通过以下公式计算Δ f = fa — fr，其中fa 为反谐振频率，fr为谐振频率。
所述圆片型压电材料的介电常数ε通过以下公式计算
权利要求
1.一种压电材料性能自动测试系统，其特征在于，包括控制单元、与待测压电材料相连的多个可程控测试单元、以及连接在所述控制单元与所述多个可程控测试单元之间的传输单元，所述各可程控测试单元通过所述传输单元接收来自所述控制单元的指令以对所述待测压电材料的压电性能进行自动测试，并将测试得到的直接压电性能数据通过所述传输单元反馈至所述控制单元，所述控制单元将接收到的所述直接压电性能数据发送至显示单元并进行记录，所述直接压电性能数据为包括谐振频率、谐振阻抗、反谐振频率、反谐振阻抗、 电导、电抗、容抗、静态电容和介电损耗在内的直接压电性能数据。
2.根据权利要求1所述的压电材料性能自动测试系统，其特征在于，所述控制单元配置为根据预先设定的压电性能参数公式从测试得到的所述直接压电性能数据计算出所述待测压电材料的间接压电性能数据并发送至所述显示单元，所述间接压电性能数据为包括带宽、介电常数、机械品质因子和机电耦合系数在内的间接压电性能数据。
3.根据权利要求1或2所述的压电材料性能自动测试系统，其特征在于，所述控制单元配置为对各所述压电性能数据预先设定参考数据范围，判断获得的各压电性能数据是否在预先设定的所述参考数据范围内，将属于所述参考数据范围内的所述压电性能数据发送至所述显示单元进行记录，对不属于所述参考数据范围内的所述压电性能数据，所述控制单元向所述显示单元发送更换待测压电材料的提示指令。
4.根据权利要求1所述的压电材料性能自动测试系统，其特征在于，所述可程控测试单元为内置GPIB接口的测试装置，且所述传输单元包括USB/GPIB接口转换装置、连接在所述USB/GPIB接口转换装置的一端与所述控制单元之间的USB电缆、以及连接在所述USB/ GPIB接口转换装置的另一端与所述各可程控测试单元之间的GPIB电缆。
5.根据权利要求1所述的压电材料性能自动测试系统，其特征在于，所述控制单元配置为通过采用Visual Basic语言编程进行控制，并使所述显示单元通过excel表格的形式对压电性能数据进行记录，且所述控制单元还配置为通过调用所述可程控测试单元的专用控制仪器编程语言经由所述传输单元对所述可程控测试单元进行控制。
6.根据权利要求5所述的压电材料性能自动测试系统，其特征在于，所述控制单元还配置为通过excel的统计功能对记录于所述显示单元的所述压电性能数据进行自动编号、 自动统计分析。
7.根据权利要求1所述的压电材料性能自动测试系统，其特征在于，所述待测压电材料通过测试夹具与所述各可程控测试单元相连。
8.一种压电材料性能自动测试方法，其特征在于，包括提供控制单元以及与待测压电材料相连的多个可程控测试单元；将所述控制单元与所述多个可程控测试单元通过传输单元相连；控制所述控制单元以通过所述传输单元向所述各可程控测试单元发送指令，对所述待测压电材料的压电性能进行自动测试；所述各可程控测试单元将测试得到的直接压电性能数据通过所述传输单元反馈至所述控制单元；所述控制单元将接收到的所述直接压电性能数据发送至显示单元并进行记录；所述直接压电性能数据为包括谐振频率、谐振阻抗、反谐振频率、反谐振阻抗、电导、电抗、容抗、静态电容和介电损耗在内的直接压电性能数据。
9.根据权利要求8所述的压电材料性能自动测试方法，其特征在于，控制所述控制单元以根据预先设定的压电性能参数公式从测试得到的所述直接压电性能数据计算出所述待测压电材料的间接压电性能数据并发送至所述显示单元，所述间接压电性能数据为包括带宽、介电常数、机械品质因子和机电耦合系数在内的间接压电性能数据。
10.根据权利要求8或9所述的压电材料性能自动测试方法，其特征在于，控制所述控制单元以对各压电性能数据预先设定参考数据范围，判断获得的各压电性能数据是否在预先设定的所述参考数据范围内，将属于所述参考数据范围内的所述压电性能数据发送至所述显示单元进行记录，对不属于所述参考数据范围内的所述压电性能数据，所述控制单元向所述显示单元发送更换待测压电材料的提示指令。
11.根据权利要求8所述的压电材料性能自动测试方法，其特征在于，使所述可程控测试单元为内置GPIB接口的测试装置，且所述传输单元包括USB/GPIB接口转换装置、连接在所述USB/GPIB接口转换装置的一端与所述控制单元之间的USB电缆、以及连接在所述USB/ GPIB接口转换装置的另一端与所述各可程控测试单元之间的GPIB电缆。
12.根据权利要求8所述的压电材料性能自动测试方法，其特征在于，所述控制单元通过采用Visual Basic语言编程进行控制，并使所述显示单元通过excel表格的形式对压电性能数据进行记录，且所述控制单元通过调用所述可程控测试单元的专用控制仪器编程语言经由所述传输单元对所述可程控测试单元进行控制。
13.根据权利要求12所述的压电材料性能自动测试方法，其特征在于，控制所述控制单元以通过excel的统计功能对记录于所述显示单元的所述压电性能数据进行自动编号、 自动统计分析。
14.根据权利要求8所述的压电材料性能自动测试方法，其特征在于，将所述待测压电材料通过测试夹具与所述各可程控测试单元相连。
15.根据权利要求8所述的压电材料性能自动测试方法，其特征在于，所述待测压电材料包括圆片型压电材料。
全文摘要
本发明涉及一种压电材料性能自动测试系统及方法，该系统包括控制单元、与待测压电材料相连的多个可程控测试单元、以及连接在控制单元与多个可程控测试单元之间的传输单元，所述各可程控测试单元通过所述传输单元接收来自所述控制单元的指令以对所述待测压电材料的压电性能进行自动测试，并将测试得到的直接压电性能数据通过所述传输单元反馈至所述控制单元，所述控制单元将接收到的所述直接压电性能数据发送至显示单元并进行记录，所述直接压电性能数据为包括谐振频率、谐振阻抗、反谐振频率、反谐振阻抗、电导、电抗、容抗、静态电容和介电损耗在内的直接压电性能数据。本系统和方法可对压电元器件的性能进行自动测试。
文档编号G01R29/22GK102495299SQ20111036321
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者范晓荣, 董显林 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所