压电振子单晶的大功率阻抗特性的测试系统及方法

本发明涉及压电振子单晶测试，具体地，涉及一种压电振子单晶的大功率阻抗特性的测试系统及方法。

背景技术：

1、压电振子单晶是一类极其重要的功能材料，能够实现机械能与电能之间的转化，相较于传统的压电陶瓷材料，压电单晶具有更优异的机电转化性能，被广泛的应用于工业、医疗、军事等行业领域。

2、近年来，随着压电器件与压电材料的快速发展，高压大功率领域成为研究的热点，如大功率压电驱动器、大功率超声波马达、大功率压电陶瓷传感器、大功率水声换能器等，在这些器件中，高压大功率都是上述研究的重点研究方向，在高压大功率条件下，能够获得更高的形变或产生较大的力。

3、在众多的压电器件中，压电振子都是其核心的敏感元件，因此对上述领域的研究，都可归结于对于压电振子单晶的高压大功率研究。在实际的应用过程中，为了能够保证压电器件工作在高压环境下，需加入功率放大器、电压放大器等设备，随着施加的电压的增加，样品的振动幅度增加，压电振子单晶会产生热，导致自身温度升高，产生不希望引入的非线性效应，压电振子单晶的阻抗曲线发生变化、机械品质因数qm下降。

4、阻抗曲线是压电振子单晶使用中的重要参数，但是目前压电元件制造商提供的机电耦合系数都是小信号测试系统下的参数，一般都是在电场强度1v/mm或更小的场强下利用阻抗分析仪进行测试获得的数据，因此不能反映高振速、高振幅下的压电振子单晶的材料特性，而反映压电材料单晶材料的高压大功率特性必须在高电场强度下获得，而目前的测试系统并不能获得压电振子单晶材料的大功率特性。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压电振子单晶的大功率阻抗特性的测试系统及方法。

2、根据本发明提供的压电振子单晶的大功率阻抗特性的测试系统，包括信号源、功率放大器、电位器、激光测振仪、示波器以及恒流源；

3、所述信号源包括信号输出端口，所述信号输出端口与功率放大器的信号输入端口相连，用于生成可变频率的扫频信号；

4、所述功率放大器，用于对所述扫频信号进行幅度扩展，所述功率放大器的输出端口与负载电位器相连；

5、所述负载电位器与待测的压电振子单晶以串联的方式配置，用于电压分配；

6、所述恒流源与待测的压电振子单晶形成串联电路，用于为压电振子单晶提供稳定的交流电流；

7、所述激光测振仪，用于对压电振子单晶的振动速度进行检测；

8、所述示波器与负载电位器和压电振子单晶相连，以实时监测并记录压电振子单晶以及负载电位器的电压值，所采集的电压值会被传输并集成至数据处理终端，以实现对所测压电振子单晶的阻抗特性曲线的绘制和分析。

9、优选地，通过恒流法测试压电振子单晶最小阻抗频率处的阻抗曲线，通过恒压法测试压电振子单晶最大阻抗频率处的阻抗曲线。

10、优选地，通过恒压法测试所述压电振子单晶的阻抗曲线包括：

11、通过功率放大器对信号源产生的激励信号进行幅值增益，作用于负载电位器与压电振子单晶样品上；

12、通过激光测振仪测试压电振子单晶的振动特性；

13、调节信号源进行扫频分析，在调节频率后，调节负载电位器的阻值，始终保持负载电位器与压电振子单晶上的电压幅值一致；

14、通过示波器测试电压值，而后测试负载电位器的阻值，该阻值即为压电振子单晶的等效阻抗，记录其数据至终端，绘制该压电振子单晶的阻抗曲线。

15、优选地，通过恒流法测试压电振子单晶阻抗曲线时包括：

16、调节恒流源的信号电流强度，保持与使用恒压法测得的压电振子单晶在该频率下的振动速度相同；

17、通过示波器测试压电振子的电压幅值特性，调节恒流源进行扫频分析，记录其数据至终端；

18、在不同频率下，记录的电压值与恒流源的信号比值即为压电振子单晶的等效阻抗，绘制该样品的阻抗曲线。

19、优选地，在最小阻抗频率和最大阻抗频率之间进行测试方法的转换时，使用激光测振仪进行测试，以保证恒流法和恒压法在同一频率下的压电振子的振动速度相等。

20、优选地，还包括缓冲器；

21、所述恒流源通过所述缓冲器与待测的压电振子单晶形成串联电路；

22、所述缓冲器，用于提高压电振子获得的电压。

23、该缓冲器可以通过运放电路实现，根据运算放大器的反馈原则，运放反相和正相输入端电压总是相等，运放反相与正相输入端没有电流输入，因此可以将输出直接连接反相输入，根据以上两条原则，vout＝vin+＝vin―，运放此时没有起到放大电压的作用，但是起到了阻抗变换的作用；对于电压型负载来说，电源内阻越小、负载阻抗越大越好，这样就可以获得更高的电压，如果电源内阻较大，负载的阻抗较小，此时负载则无法获得较高份额的电压，对于这种情况就需要加入缓冲器，缓存器的特点就是输入阻抗无穷大，而输出阻抗又很小，在其后连接压电振子，可以保证压电振子获得较大的电压。

24、优选地，还包括隔直电容；

25、所述恒流源依次通过所述缓冲器、所述隔直电容与待测的压电振子单晶形成串联电路；

26、所述隔直电容，用于实现隔直流通交流的功能，保证电路处于动态稳定的状态，使得压电振子单晶能够规律的充电和放电，减少测试的偏置误差。

27、本发明提供的压电振子单晶大功率阻抗测试方法，包括如下步骤：

28、获取压电振子单晶的最小阻抗频率；

29、获取压电振子单晶的最大阻抗频率；

30、驱动电压驱动样品发生振动，压电振子单晶阻抗随频率变化而变化，其电流最小处，即其等效阻抗最小，导纳最大，此时频率即为压电振子的最小阻抗频率，相反的，在阻抗最大处的频率为最大阻抗频率；

31、获取所述压电单晶样品的电压值，经示波器采集汇总至终端，分析所述样品在大功率下的特性；

32、上述步骤可以重复多次，验证在不同的大功率电压下的压电振子单晶特性。

33、优选地，获取所述压电振子单晶的大功率阻抗曲线步骤包括：

34、首先通过恒流法获取压电振子单晶的最小阻抗处的阻抗曲线；

35、通过恒流源实现对压电振子单晶的激励，在压电振子单晶之间串联缓冲电路和隔直电容，该缓冲电路通过运放电路实现，将输出直接连接反相输入，运放此时没有起到放大电压的作用，但是起到了阻抗变换的作用；

36、同时隔直电容可以保证能够实现隔直流通交流的功能，使电路处于动态稳定的状态，从而压电振子单晶能够规律的充电和放电，减少测试的偏置误差；

37、通过示波器连接压电振子单晶的两端，记录压电振子单晶两端的电压幅值特性；

38、改变交流恒流源的频率，记录随着频率变化，压电振子单晶两端的电压幅值特性变化情况；

39、改变交流恒流源的电流值的幅值大小，重复上述步骤，记录不同电流激励强度下的压电振子单晶大功率特性；

40、上述结果中的，在扫频过程中，在同一电流激励强度下的最小的电压幅值处的频率即为该样品的最小阻抗频率，所记录的电压幅值与电流值的比值即为压电振子单晶的等效阻抗值。

41、优选地，在完成压电振子单晶的最小阻抗的测试之后，则再通过恒压法进行压电振子单晶最大阻抗频率的测试；

42、通过恒压法对压电振子单晶进行测试，该系统包括：信号源、信号放大器、负载电位器、示波器等设备；

43、当通过大功率电压激励时，通过压电振子单晶的电压随着频率的变化而变化，当流过压电振子单晶的电流最小，即其等效阻抗最大，导纳最小时的频率为最大阻抗频率，该处的频率值的测量通过恒压法完成，改变信号源的电压强度，测试不同的大功率电压激励下的压电振子单晶大功率特性。

44、优选地，通过恒压法测试压电振子单晶的最大阻抗频率的步骤包括：

45、首先，所述的信号源用于产生交流电压信号；

46、信号源与功率放大器连接，实现对于电压信号的放大，为压电振子单晶制造大功率高压的实验条件；

47、所述的压电振子单晶与负载电位器串联，负载电位器实现与压电振子分压的功能，电位器要在较大的范围内阻值可调；

48、所述电压信号经功率放大器放大后施加在压电振子单晶与负载电位器串联电路的两端；

49、进一步的，所述的电压信号为正弦交流信号，所述的信号包括电压信号的幅值、频率，当需调节施加于压电振子单晶的系统的电压信号时，需保证功率放大器放大倍数不变，改变电压源的输出电压幅值。

50、通过示波器测试压电振子单晶与负载电位器上的电压幅值特性，并调节负载电位器，使得负载电位器上的电压幅值与压电振子单晶的电压值相等；

51、完成上述步骤后，测试通过万用表测试负载电位器的阻值，所得的阻值即为压电振子单晶的等效阻抗；

52、记录上述数据，改变电压源在此电压强度激励下的频率值，完成对于压电振子单晶的扫频分析；

53、改变电压源的电压幅值，测试压电振子单晶在不同的电压强度激励下的大功率特性，并发送至终端；

54、上述测试中，在同一电压强度激励下压电振子最大阻抗值处的频率即为压电振子单晶的最大阻抗频率。

55、优选地，本系统介绍的压电振子单晶的阻抗测试方法是由两种方法测试的结果组合而成；

56、可以将其分为两部分，分界点为压电振子单晶的最小阻抗频率与最大阻抗频率的中间频率处，该频率可以通过一种方法进行确定：通过激光测振仪准确测量压电振子的振速，在最小阻抗频率与最大阻抗频率的中间频率处，即需要两种方法转换处，保持压电振子的振动速度一致。

57、特别的，因为压电振子单晶的阻抗变化很大，一般在几欧姆到几万欧姆之间，所以通过传统的恒流法和恒压法都难以实现对于压电振子单晶高压大功率下的准确的测试。

58、如上所述，压电振子单晶测试的前半部分，即通过恒流法测试压电振子单晶的最小阻抗频率部分，在测试至上述的中间频率值时，将系统更换为恒压法，同时调整信号源的激励频率，完成对于压电振子单晶的最大阻抗频率的测试。

59、完成上述步骤，根据电压与电流之间的关系，绘制压电振子单晶的阻抗曲线，重复上述步骤，测试在不同的信号激励强度下的压电振子大功率阻抗特性，进一步的评价压电振子单晶材料在大功率下的性能。

60、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

61、本发明将测试系统连接待测的压电振子单晶，通过恒流法和恒压法两种方法实现压电振子单晶大功率频率扫描，通过激光测振仪测试压电振子振动速度，数据汇总后发送至终端，分析所述样品的大功率下的阻抗特性，从而进一步评价压电振子单晶材料在大功率下的性能表现。本发明采用直接测试的方法，区别于阻抗分析仪的小功率测试，结合恒压法和恒流法两种测试方法的特性，实现压电振子单晶在大功率下的阻抗测试，具有系统易搭建、方法简单、适用性广泛的优点。