一种基于动态法的压电材料参数测试方法及测试装置与流程

本发明涉及一种基于动态法的压电材料参数测试方法及测试装置，属于压电材料参数测量领域。

背景技术：

压电材料在现代工业中有着重要的作用，压电材料应用领域的不断扩大必然要求常用压电参数能够得到更为准确的测量。但是由于压电材料的参数不仅与其组成成分有关，还和制造工艺有着密切的联系。在制造过程中各种因素都会导致其性能参数受到影响。因此，压电材料的性能参数测量就具有十分重要的意义。

目前压电材料参数测试装置往往测试功能单一，测试的参数有限，如测量压电材料的谐振频率时基本都借助于阻抗参数测试仪，然后再通过手工计算得到其他压电参数。目前的阻抗测试仪虽然已经达到了测试结果精确且技术成熟的地步，但这种方法存在的弊端是测试过程繁琐，自动化程度低，材料测试周期过长，且效率低下。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于动态法的压电材料参数测试方法及测试装置，能够快速测量五个基本的压电参数(串联谐振频率f_s、并联谐振频率f_p、动态电阻R_es、静态电容C_ap、机械品质因数Q_m)，测量过程完全自动化，无需人工干预，测试结果自动显示。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于动态法的压电材料参数测试方法，包括以下过程：

(1)将DDS模块的电流输出端接一不大于100Ω的小电阻，再与串联的标准电阻和待测量的压电材料连接；任意设置DDS模块扫频的起始频率、步进频率以及截止频率；

(2)测量压电材料的并联谐振频率点f_p和串联谐振频率点f_s：

以起始频率开始扫频，每扫完一次以上次扫频频率加上步进频率重新扫频，当频率达到截止频率时扫频结束；扫频过程中，对DDS模块直接输出的正弦信号AD0与经压电材料分压所得到的正弦信号AD1，各通过一个检波电路进行检波，分别得到的直流信号均经过AD采样模块传递至单片机；检波过程中，单片机利用归一化算法，将AD0作为参考信号，绘制用于判断串联谐振点和并联谐振点的AD1/AD0曲线；整个扫频过程中，DDS模块输出的正弦信号依次经过串联的标准电阻和压电材料，当压电材料两端电压最大时的频率为并联谐振频率点f_p，当压电材料两端电压最小时的频率为串联谐振频率点f_s；

(3)扫频结束后，测量以下参数：

(a)测量动态电阻值R_es：

与AD采样模块连接的单片机通过电压分压公式计算压电材料的动态电阻值R_es：

V₀＝R_esR₅+R_esV

R_es＝R₅×V₀V-V₀

其中，V₀为电压材料的电压，V为DDS模块的输出电压，R₅为标准参考电阻，R_es为待测量的压电材料的动态电阻值；

(b)测量静态电容C_ap：

将DDS模块的输出设置为低频信号，该低频信号依次经过标准电阻、压电材料、电容检测模块和AD采样模块；所述电容检测模块包括与压电材料连接的555计时器，所述555计时器的引脚1接地，引脚3与AD采样模块连接，引脚4和引脚5接-5V，引脚6通过电阻R3与引脚5连接、同时通过电阻R4与压电材料连接，引脚7通过电容C7接地；

与AD采样模块连接的单片机通过以下公式计算压电材料的静态电容C_ap：

C_ap＝1.44/(R₃+2R₄)f

f＝1/(t_PL+t_PH)

t_PL＝R₄C_ap ln2

t_PH＝(R₃+R₄)C_ap ln2

其中，R₃和R₄分别为与555定时器相连的电阻R3和电阻R4的阻值，f为当555计时器的触发器翻转时在输出端得到一个周期性的方波的频率，t_PL为555计时器的低电平持续时间，t_PH为555计时器的高电平持续时间；

(e)测量机械品质因数Q_m：

$Q_m=\frac{2{\mathrm{\πf}}_s{L}_1}{R_{es}}=\frac{{f_p}^2}{2{\mathrm{\πf}}_s\left|Z_m\right|(C_0+C_1)({f_p}^2+{f_s}^2)}$

式中f_s为串联谐振频率点，f_p为并联谐振频率点，L₁为动态电感压电材料谐振点附近的等效动态电感，|Z_m|为最小谐振阻抗，C₀为压电材料在谐振点附近的等效并联电容，C₁为压电材料在谐振点附近的等效动态电容，|Z_m|、C₀和C₁均为压电材料自身决定的已知量；

(f)测量泊松比σ：

$\mathrm{\σ}=\frac{5.332f_{m0}-1.867f_{m1}}{0.6054f_{m1}-0.1910f_{m0}}$

f_m0为压电材料的基音频率，其近似为一次串联谐振频率，单位为Hz；f_m1为压电材料的一次泛音频率，其近似为二次串联谐振频率，单位为Hz，f_m0和f_m1均为压电材料自身决定的已知量。

步骤(2)扫频过程中直流信号经过AD采样模块时，单片机对AD采样模块经过模数转换得到的数字信号舍弃尾部3位数据，或执行均值滤波算法进行处理。

所有参数测量完成后，单片机通过串口将数据发送至计算机。

本发明同时提供了用于上述测试方法的测试装置，包括DDS模块，DDS模块依次与串联的标准电阻和待测量的压电材料连接，标准电阻的两端各通过一个检波电路与AD采样模块连接，AD采样模块与单片机连接；压电材料通过电容检测模块与单片机连接。

所述单片机采用STM32F429ZIT6。

所述电容检测模块采用利用555定时器构成的RC振荡电路，该电路中555计时器的引脚1接地，引脚3与AD采样模块连接，引脚4和引脚5接-5V，引脚6通过电阻R3与引脚5连接、同时通过电阻R4与压电材料连接，引脚7通过电容C7接地。

所述单片机通过串口与计算机连接。

所述单片机与用于调节起始频率、步进频率和截止频率的按键显示屏连接。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明采用动态谐振法来实现压电材料参数的测量，其基本原理是用外加电场激励压电材料，通过逆压电效应进行机电耦合，产生机械谐振，通过压电材料在谐振点附近的阻抗与频率直接的函数关系，可以计算出来压电材料的弹性常熟、介电常数、压电常数等系数；

(2)本发明采用了归一化算法自动测量压电参数，提高了测量精度，同时提高了系统的整体工作效率；

(3)本发明可以测量(串联谐振频率f_s、并联谐振频率f_p、动态电阻R_es、静态电容C_ap、机械品质因数Q_m)，并可以扩展测量参数有泊松比σ、机械耦合系数Kp；

(4)本发明的单片机中MCU的开发平台是FPU浮点处理器，充分发挥了FPU浮点处理器强大的数据处理功能和计算能力，研究出的压电参数测试系统为测试人员的工作提供了强有力的支持；

(5)本发明比起现有的压电参数测量方法，该系统成本低，操作简单，实用性强，完全能够满足一般测试需求。

附图说明

图1是本发明实施例的压电材料参数自动测试装置的框图。

图2是本发明实施例的压电材料参数自动测试装置的流程框图。

图3是本发明实施例的压电材料参数自动测试装置的实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基于动态法的压电材料参数测试方法，参照图2和图3，包括以下过程：

(1)将DDS模块的电流输出端接一不大于100Ω的小电阻，再与串联的标准电阻和待测量的压电材料连接；利用按键显示屏任意设置DDS模块扫频的起始频率、步进频率以及截止频率；设置时，可以通过Key值判断操作，Key＝0、1和2时分别表示设定起始频率、设定步进频率和设定截止频率，按下ENTER键时开始输出频率，进行扫频。

由于DDS模块采用AD9850，AD9850输出口输出是电流信号，因此需先将其转换成电压信号，通常做法是在电流输出口接一小值电阻，本实用新型选用阻值为68Ω，虽然被测样品和标准电阻支路的阻抗变化很大，但比起小值电阻还是相当的大，因此支路两端电压基本可看作峰值恒定。将该正弦信号依次经过串联的标准电阻和压电材料，通过检测标准电阻两端的电压信号，当被测样品阻抗变化时，由于电压恒定，被测样品两端电压信号变化和被测样品阻抗变化紧密相关，当阻抗最小时，样品两端电压峰值也最小，反之亦然，因此通过检测被测样品两端电压信号就可判断被测样品的阻抗变化，当压电材料两端电压最大时的频率为并联谐振频率点，当压电材料两端电压最小时的频率为串联谐振频率点。

(2)测量压电材料的并联谐振频率点f_p和串联谐振频率点f_s：

以起始频率开始扫频，每扫完一次以上次扫频频率加上步进频率重新扫频，当频率达到截止频率时扫频结束；扫频过程中，对DDS模块直接输出的正弦信号AD0与经压电材料分压所得到的正弦信号AD1，各通过一个检波电路进行检波，分别得到的直流信号均经过AD采样模块传递至单片机；

两个检波电路相同，均采用LTC5507，标准电阻R5的两端分别连接两个LTC5507的脚1，LTC5507的脚2通过电容C3与脚3连接，脚3通过电容C4接地，脚3依次通过电容C4和C2接-5V，脚5接-5V，脚6接地，脚7通过串联的电阻R1和电阻R2与AD采样模块连接，电阻R2的两端分别通过电容C5和电容C6接地；

检波过程中，单片机利用归一化算法，将AD0作为参考信号，绘制用于判断串联谐振点和并联谐振点的AD1/AD0曲线；由于该算法可以有效的优化绘制出来的波形曲线，提高了对串联谐振点、并联谐振点的判断，因此可以有效的降低因DDS在高频输出时发生的衰减现象带来的影响；

整个扫频过程中，DDS模块输出的正弦信号依次经过串联的标准电阻和压电材料，当压电材料两端电压最大时的频率为并联谐振频率点f_p，当压电材料两端电压最小时的频率为串联谐振频率点f_s；

(3)扫频结束后，测量以下参数：

(a)测量动态电阻值R_es：

与AD采样模块连接的单片机通过电压分压公式计算压电材料的动态电阻值R_es：

V₀＝R_esR₅+R_esV

R_es＝R₅×V₀V-V₀

其中，V₀为电压材料的电压，V为DDS模块的输出电压，R₅为标准参考电阻，R_es为待测量的压电材料的动态电阻值；

(b)测量静态电容C_ap：

将DDS模块的输出设置为低频信号，该低频信号依次经过标准电阻、压电材料、电容检测模块和AD采样模块；所述电容检测模块包括与压电材料连接的555计时器，所述555计时器的引脚1接地，引脚3与AD采样模块连接，引脚4和引脚5接-5V，引脚6通过电阻R3与引脚5连接、同时通过电阻R4与压电材料连接，引脚7通过电容C7接地；

与AD采样模块连接的单片机通过以下公式计算压电材料的静态电容C_ap：

C_ap＝1.44/(R₃+2R₄)f

f＝1/(t_PL+t_PH)

t_PL＝R₄C_ap ln2

t_PH＝(R₃+R₄)C_ap ln2

其中，R₃和R₄分别为与555定时器相连的电阻R3和电阻R4的阻值，f为当555计时器的触发器翻转时在输出端得到一个周期性的方波的频率，t_PL为555计时器的低电平持续时间，t_PH为555计时器的高电平持续时间；

(e)测量机械品质因数Q_m：

$Q_m=\frac{2{\mathrm{\πf}}_s{L}_1}{R_{es}}=\frac{{f_p}^2}{2{\mathrm{\πf}}_s\left|Z_m\right|(C_0+C_1)({f_p}^2+{f_s}^2)}$

式中f_s为串联谐振频率点，f_p为并联谐振频率点，L₁为动态电感压电材料谐振点附近的等效动态电感，R_es为动态电阻(串联谐振电阻)，|Z_m|为最小谐振阻抗，C₀为压电材料在谐振点附近的等效并联电容，C₁为压电材料在谐振点附近的等效动态电容，|Z_m|、C₀和C₁均为压电材料自身决定的已知量；

(f)测量泊松比σ：

$\mathrm{\σ}=\frac{5.332f_{m0}-1.867f_{m1}}{0.6054f_{m1}-0.1910f_{m0}}$

在电导-电纳坐标平面上，随频率变化，串联支路导纳轨迹为一个圆，根据导纳圆图，可以读出最大导纳频率(即最小阻抗频率)f_m。在此，f_m0为压电材料的基音频率，其近似为一次串联谐振频率，单位为Hz；f_m1为压电材料的一次泛音频率，其近似为二次串联谐振频率，单位为Hz，f_m0和f_m1均为压电材料自身决定的已知量。

步骤(2)扫频过程中直流信号经过AD采样模块时，单片机对AD采样模块经过模数转换得到的数字信号舍弃尾部3位数据，或执行均值滤波算法进行处理。

所有参数测量完成后，单片机通过串口将数据发送至计算机。

本发明同时提供了用于上述测试方法的测试装置，参照图1和图3，包括DDS模块，DDS模块依次与串联的标准电阻和待测量的压电材料连接，标准电阻的两端各通过一个检波电路与AD采样模块连接，AD采样模块与单片机连接；压电材料通过电容检测模块与单片机连接。

所述单片机采用STM32F429ZIT6。

所述电容检测模块采用利用555定时器构成的RC振荡电路，该电路中555计时器的引脚1接地，引脚3与AD采样模块连接，引脚4和引脚5接-5V，引脚6通过电阻R3与引脚5连接、同时通过电阻R4与压电材料连接，引脚7通过电容C7接地。

所述单片机通过串口与计算机连接。

所述单片机与用于调节起始频率、步进频率和截止频率的按键显示屏连接。

本发明的原理如下：用外加电场激励压电材料，通过逆压电效应进行机电耦合，产生机械谐振，通过压电材料在谐振点附近的阻抗与频率直接的函数关系，可以计算出来压电材料的弹性常熟、介电常数、压电常数等系数。

扫频激励模块利用DDS模块制作，用于产生100Hz—10MHz的正弦信号，用它输出1V、可调步进频率为100Hz的正弦信号，并将其输出信号施加于压电材料，用于检测其谐振点频率。本发明是通过检测标准电阻两端的电压信号，由于从AD9850输出口输出是电流信号，因此需先将其转换成电压信号，通常做法是在电流输出口接一小值电阻，本实施例中选用的阻值为68Ω，虽然被测压电材料和标准电阻支路的阻抗变化很大，但比起小值电阻还是相当的大，因此支路两端电压基本可看作峰值恒定。当被测压电材料阻抗变化时，由于电压恒定，被测压电材料两端电压信号变化和被测压电材料阻抗变化紧密相关，当阻抗最小时，压电材料两端电压峰值也最小，反之亦然，因此通过检测被测压电材料两端电压信号就可判断被测压电材料的阻抗变化，当被测压电材料两端电压最大时即阻抗最大值点，此时的频率即并联谐振频率点，当被测压电材料两端电压最小时即阻抗最小值点，此时的频率即串联谐振频率。由于后续的AD信号采集端口输入电阻极高，前端电路被测压电材料阻抗的急剧变化并不会对信号采集造成较大误差的影响。

利用归一化算法，将AD0采集的信号作为参考信号，用AD1/AD0绘制曲线，可以有效的降低因DDS在高频输出时衰减影响精度的问题。

在使用内部ADC的过程中，对采集信号有以下处理：舍弃尾部3位数据，进行均值滤波算法可以避免噪声的干扰。

所有参数测量计算完成后，通过串口将数据发送至计算机，可以进行显示和存储等。