一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，特別是涉及一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 縱向壓電應(yīng)變常數(shù)d33是表征壓電陶瓷材料機(jī)電轉(zhuǎn)換性能的重要參數(shù)之一。縱向 壓電應(yīng)變常數(shù)d33以往常用動態(tài)法和靜態(tài)法測量得到，前者只適宜測量特定形狀且滿足規(guī) 定尺寸比例的試樣（如高度與直徑或邊長比例大于2. 5倍的原著和方豬），測量必須在嚴(yán) 格的屏蔽條件下進(jìn)行，測量對象為試樣的串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振頻率和電容等參數(shù)，最終結(jié)果 (試樣的d33)還需經(jīng)過復(fù)雜的計算才能得到。而對形狀為片狀、條狀、管狀和高度與直徑比 例小于2. 5倍的柱狀試樣，動態(tài)法根本無法對其測量；后者，為了滿足一定的測試靈敏度， 靜態(tài)法測量施加的力較大，一般為幾個至幾十個牛頓，這樣，對壓電材料中目前應(yīng)用最廣的 壓電陶瓷而言，由于鐵電材料中熱釋電荷引起的漂移和受力較大時易產(chǎn)生非線性，以及測 量中加力不易均勻等因素，造成了靜態(tài)法測量精度太低，重復(fù)性不好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之目的在于提供一種壓電特性參數(shù)動態(tài) 掃頻測試裝置及方法，通過檢測不同頻率信號激勵時線路的電流變化，實現(xiàn)壓電陶瓷d33參 數(shù)的檢測計算，具有性能參數(shù)檢測操作方便、檢測過程效率高等特點。
[0004] 為達(dá)上述及其它目的，本發(fā)明提出一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置，包括施 力裝置與電路裝置，其中，施力裝置，壓電陶瓷片（2)放在底座支撐裝置（1)上，電機(jī)（7)在 該電路裝置的單片機(jī)程序的驅(qū)動下，傳動速度經(jīng)過減速器（8)減速之后，驅(qū)動渦輪蝸桿（6) 傳動裝置，從而帶動螺紋軸（5)上下運動，通過壓縮和拉伸彈簧（4)來改變壓片（3)作用在 壓電陶瓷片⑵上的壓力；
[0005] 電路裝置，包括單片機(jī)、切換開關(guān)、繼電器組及掃頻信號施加電路，該單片機(jī)通過 采樣電路獲得壓力信號及電壓信號，將檢測到的壓力信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié) 果控制該切換開關(guān)，該切換開關(guān)連接該繼電器組，以通過該繼電器組產(chǎn)生控制電機(jī)（7)正 轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的開關(guān)控制信號，當(dāng)壓力設(shè)定值與該壓電陶瓷片上受力實際值相同時，該單片機(jī) 通過該掃頻信號施加電路對該壓電陶瓷片施加掃頻信號，通過采樣各頻點電流獲得串聯(lián)諧 振頻率與并聯(lián)諧振頻率，并利用相應(yīng)公式計算獲得壓電常數(shù)。
[0006] 進(jìn)一步地，當(dāng)檢測到的壓力信號與設(shè)定值不同時，該單片機(jī)根據(jù)結(jié)果的大小控制 電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，以使施加在壓電陶瓷片（2)的壓力與設(shè)定的值相同，達(dá)到壓力穩(wěn)定。
[0007] 進(jìn)一步地，若程序或者硬件發(fā)生故障，該單片機(jī)控制其狀態(tài)指示燈發(fā)出報警。
[0008] 進(jìn)一步地，該單片機(jī)采用如下壓電參數(shù)計算公式計算壓電參數(shù)：
【主權(quán)項】
1. 一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置，包括施力裝置與電路裝置，其特征在于： 施力裝置，壓電陶瓷片（2)放在底座支撐裝置（1)上，電機(jī)（7)在該電路裝置的單片機(jī) 程序的驅(qū)動下，傳動速度經(jīng)過減速器（8)減速之后，驅(qū)動渦輪蝸桿（6)傳動裝置，從而帶動 螺紋軸（5)上下運動，通過壓縮和拉伸彈簧（4)來改變壓片（3)作用在壓電陶瓷片（2)上 的壓力； 電路裝置，包括單片機(jī)、切換開關(guān)、繼電器組及掃頻信號施加電路，該單片機(jī)通過采樣 電路獲得壓力信號及電壓信號，將檢測到的壓力信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控 制該切換開關(guān)，該切換開關(guān)連接該繼電器組，以通過該繼電器組產(chǎn)生控制電機(jī)（7)正轉(zhuǎn)與 反轉(zhuǎn)的開關(guān)控制信號，當(dāng)壓力設(shè)定值與該壓電陶瓷片上受力實際值相同時，該單片機(jī)通過 該掃頻信號施加電路對該壓電陶瓷片施加掃頻信號，通過采樣各頻點電流獲得串聯(lián)諧振頻 率與并聯(lián)諧振頻率，并利用相應(yīng)公式計算獲得壓電常數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置，其特征在于：當(dāng)檢測到 的壓力信號與設(shè)定值不同時，該單片機(jī)根據(jù)結(jié)果的大小控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，以使施加 在壓電陶瓷片（2)的壓力與設(shè)定的值相同，達(dá)到壓力穩(wěn)定。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置，其特征在于：若程序或 者硬件發(fā)生故障，該單片機(jī)控制其狀態(tài)指示燈發(fā)出報警。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置，其特征在于，該單片機(jī) 采用如下壓電參數(shù)計算公式計算壓電參數(shù)：
其中，Ct為自由電容，包含低頻時測出的壓電陶瓷片的靜動態(tài)電容總值CO、Cl之和，常 數(shù)
P為壓電陶瓷片體積密，S為電極面積，fr為諧振頻率，L為 等效串聯(lián)電感，w為掃頻信號頻率。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置，其特征在于：當(dāng)極化的 方向與振動方向一致時，壓電常數(shù)d31為縱向壓電應(yīng)變常數(shù)d 33。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置，其特征在于：該單片機(jī) 調(diào)整掃頻信號的頻率間隔，進(jìn)行多次循環(huán)，分別采樣各頻點電流。
7. -種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試方法，包括如下步驟： 步驟一，進(jìn)行壓力采樣，獲得作用在壓電陶瓷片上的壓力信號； 步驟二，將檢測獲得的壓力信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)，以使施加在壓電陶瓷片的壓力與設(shè)定的值相同，達(dá)到壓力穩(wěn)定； 步驟三，對壓電陶瓷片施加掃頻信號，并采樣各頻點電流； 步驟四，調(diào)整掃頻信號的頻率間隔，并返回步驟三，進(jìn)行若干次循環(huán)； 步驟五，根據(jù)若干次采樣獲得的各頻點電流獲得串聯(lián)諧振頻率、并聯(lián)諧振頻率； 步驟六，利用壓電常數(shù)計算公式計算壓電常數(shù)d31。
8. 如權(quán)利要求7所述的一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試方法，其特征在于：當(dāng)極化的 方向與振動方向一致時，壓電常數(shù)d31即為縱向壓電應(yīng)變常數(shù)d 33。
9. 如權(quán)利要求7所述的一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試方法，其特征在于：于步驟二 中，當(dāng)比較出檢測的壓力信號與測定值不同時，根據(jù)結(jié)果的大小控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，并 進(jìn)入步驟一，反復(fù)如此，最終使得施加在壓電陶瓷片上的壓力與設(shè)定值相同，達(dá)到壓力穩(wěn) 定。
10. 如權(quán)利要求7所述的一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試方法，其特征在于，該壓電常 數(shù)計算公式：
其中，CT為自由電容，包含低頻時測出的壓電陶瓷片的靜動態(tài)電容總值C0、C1之和，常
P為壓電陶瓷片體積密，S為電極面積，fr為諧振頻率，L為 等效串聯(lián)電感，ω為掃頻信號頻率。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電特性參數(shù)動態(tài)掃頻測試裝置及方法，該方法包括如下步驟：進(jìn)行壓力采樣，獲得作用在壓電陶瓷片上的壓力信號；將檢測獲得的壓力信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以使施加在壓電陶瓷片的壓力與設(shè)定的值相同，達(dá)到壓力穩(wěn)定；對壓電陶瓷片施加掃頻信號，并采樣各頻點電流；調(diào)整掃頻信號的頻率間隔，并進(jìn)行若干次循環(huán)采樣各頻點電流；根據(jù)若干次采樣獲得的各頻點電流獲得串聯(lián)諧振頻率、并聯(lián)諧振頻率；利用壓電常數(shù)計算公式計算壓電常數(shù)，本發(fā)明通過檢測不同頻率信號激勵時線路的電流變化，實現(xiàn)了壓電陶瓷參數(shù)的檢測計算。
【IPC分類】G01R31-00
【公開號】CN104535863
【申請?zhí)枴緾N201410834184
【發(fā)明人】張彬, 靳子洋, 姚曉龍, 陸永耕
【申請人】上海電機(jī)學(xué)院
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月23日