一種壓電晶片本征頻率的測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種壓電晶片本征頻率的測量方法，其包括以下步驟：1)設(shè)置一包括函數(shù)發(fā)生器、壓電晶片和數(shù)字示波器的測量裝置；2)開啟函數(shù)發(fā)生器，使其產(chǎn)生一定周期數(shù)的Tone-Burst正弦波信號，函數(shù)發(fā)生器以頻率f對壓電晶片進(jìn)行電脈沖激勵(lì)；當(dāng)函數(shù)發(fā)生器完成周期數(shù)時(shí)，對壓電晶片的電脈沖激勵(lì)停止，壓電晶片開始自由振動，通過數(shù)字示波器采集壓電晶片兩電極之間的自由振動信號；3)調(diào)節(jié)數(shù)字示波器，將步驟2)中壓電晶片兩電極之間的自由振動信號放大，并對該放大信號進(jìn)行快速傅立葉變換分析；4)取步驟3)中傅立葉變換分析得到的頻譜圖上的峰值的頻率，則為該被測壓電晶片的本征頻率；5)調(diào)節(jié)改變步驟2)中函數(shù)發(fā)生器的頻率f，重復(fù)步驟3)和步驟4)，測得壓電晶片的各個(gè)本征頻率。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種測量方法，特別是關(guān)于。
技術(shù)介紹
壓電晶片(壓電陶瓷)由于具有較高的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和穩(wěn)定的性能，因此，是現(xiàn)有 技術(shù)中無損檢測超聲探頭和海底聲納等傳感器的核心元件。而測量壓電晶片的本征頻率等 技術(shù)性能參數(shù)，對于選用合適的壓電晶片作為傳感器，具有重要的意義。目前壓電晶片本征 頻率的測量方法主要是傳輸線路法，其具體步驟為首先用信號發(fā)生器(亦稱函數(shù)發(fā)生器) 產(chǎn)生頻率可調(diào)的連續(xù)正弦波電信號，施加到由壓電晶片和分壓電阻(或匹配電阻)組成的 測量電路中，然后不斷調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的頻率，當(dāng)高頻電壓表值最大或最小時(shí)，通過頻率計(jì) 即可讀出壓電晶片的本征頻率。這種測量方法實(shí)質(zhì)上是一種共振(諧振)測量方法，其原 理是當(dāng)某一頻率的電激勵(lì)信號使壓電晶片處于諧振或反諧振狀態(tài)時(shí)，壓電晶片呈現(xiàn)出最 大或最小阻抗，從而在高頻電壓表上得到最大或最小電壓值。傳輸線路法雖然可以同時(shí)測量出壓電晶片的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率，但是 需要在特征頻率附近仔細(xì)調(diào)節(jié)，并反復(fù)觀測高頻電壓表的示值，測量費(fèi)時(shí)而且不夠精準(zhǔn)。并 且在這種測量方法中，還由許多限定條件，如要求信號發(fā)生器的輸出阻抗低于壓電晶片的 阻抗，要求匹配電阻大于10倍的壓電晶片的阻抗等，而在測量之前，這個(gè)阻抗值是未知的， 難以預(yù)先確定，另外對測量電路的分布電容也有嚴(yán)格要求。而且傳輸線路法對試樣的尺寸 也有要求，例如，對圓盤形厚度振動模的壓電晶片，要求直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度；縱向振動的圓 棒形壓電晶片，要求直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長度，對于尺寸相差不大的壓電晶片，用傳輸線路法，測 量的結(jié)果往往存在誤差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對上述問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種無需對信號發(fā)生器的輸出阻抗和匹配電 阻進(jìn)行限定，且不受壓電晶片尺寸限制的壓電晶片本征頻率的測量方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采取以下技術(shù)方案， 其包括以下步驟1)設(shè)置一測量裝置，其包括一函數(shù)發(fā)生器，所述函數(shù)發(fā)生器的輸出端連 接壓電晶片的兩電極，所述壓電晶片的兩電極上還并聯(lián)連接一數(shù)字示波器；幻開啟函數(shù)發(fā) 生器，使其產(chǎn)生一定周期數(shù)的Tone-Burst正弦波信號，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器以頻率f對壓電晶 片進(jìn)行電脈沖激勵(lì)，使壓電晶片產(chǎn)生振動；當(dāng)函數(shù)發(fā)生器完成周期數(shù)時(shí)，對壓電晶片的電脈 沖激勵(lì)停止，壓電晶片開始自由振動，通過數(shù)字示波器采集壓電晶片兩電極之間的自由振 動信號；幻調(diào)節(jié)數(shù)字示波器，將步驟幻中壓電晶片兩電極之間的自由振動信號放大，并對 該放大信號進(jìn)行快速傅立葉變換分析；4)取步驟幻中傅立葉變換分析得到的頻譜圖上的 峰值的頻率，則為該被測壓電晶片的本征頻率；5)調(diào)節(jié)改變步驟2)中函數(shù)發(fā)生器的頻率f， 重復(fù)步驟幻和步驟4)，可測得壓電晶片的各個(gè)本征頻率。所述步驟2)中，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生Tone-Burst正弦波信號的周期數(shù)為1 100個(gè)。本專利技術(shù)由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本專利技術(shù)由于采用數(shù)字示波器， 可以通過對采集到的壓電晶片的自由振動信號進(jìn)行傅立葉變換，直接得到其本征頻率，因 此，無需反復(fù)仔細(xì)調(diào)節(jié)和觀測讀數(shù)，測量效率高，測量數(shù)值準(zhǔn)確。2、本專利技術(shù)通過設(shè)置函數(shù)發(fā) 生器產(chǎn)生Tone-Burst正弦波信號的周期數(shù)以及頻率，對壓電晶片進(jìn)行電脈沖激勵(lì)，使壓電 晶片產(chǎn)生振動，并且激勵(lì)脈沖信號的頻譜寬度較寬，一般會含有壓電晶片本征頻率的成分， 因此，無需對信號發(fā)生器輸出阻抗和匹配電阻等進(jìn)行特殊限定，對測量數(shù)值幾乎沒有影響。 3、本專利技術(shù)可對任意尺寸的壓電晶片進(jìn)行測量，因此，不受壓電晶片的尺寸限制。本專利技術(shù)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)巧妙，操作方便，測量精度高，可廣泛用于壓電晶片本征頻率的測量過程中。附圖說明圖1是本專利技術(shù)測量電路結(jié)構(gòu)示意2是本專利技術(shù)示波器測量得到的信號波形示意3是本專利技術(shù)示波器測得的自由振動信號波形的放大示意4是本專利技術(shù)示波器測得的自由振動信號波形的頻譜示意5是本專利技術(shù)Tone-Burst信號的一個(gè)實(shí)施例示意圖具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的描述。本專利技術(shù)基于以下原理當(dāng)一個(gè)壓電晶片受到交變電場的激勵(lì)作用時(shí)，由于逆壓電 效應(yīng)而產(chǎn)生機(jī)械振動。當(dāng)這種電激勵(lì)停止時(shí)，壓電晶片的這種機(jī)械振動并不會立即停止，而 會存在自由衰減振動現(xiàn)象。在自由衰減振動期間，由于正壓電效應(yīng)，在壓電晶片的兩個(gè)電極 之間，必可測得其自由振動的電壓信號。通過測量和分析這種壓電晶片的自由振動信號，就 可測出壓電晶片的本征頻率。本專利技術(shù)包括以下步驟1)如圖1所示，設(shè)置一用于對壓電晶片進(jìn)行測量的裝置，該裝置包括一函數(shù)發(fā)生 器1，函數(shù)發(fā)生器1的信號輸出端連接壓電晶片2的兩電極，同時(shí)壓電晶片2的兩電極上還 并聯(lián)連接一數(shù)字示波器3。2)如圖2所示，開啟函數(shù)發(fā)生器1，使其產(chǎn)生一定周期數(shù)(1 100個(gè))的 Tone-Burst正弦波信號A (圖2中A箭頭所指部分信號)，在此過程中，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器1 以頻率f對壓電晶片2進(jìn)行電脈沖激勵(lì)，使壓電晶片2產(chǎn)生振動；當(dāng)函數(shù)發(fā)生器1完成周期 數(shù)時(shí)，對壓電晶片2的電脈沖激勵(lì)停止，壓電晶片2開始自由振動，通過數(shù)字示波器3采集 壓電晶片2兩電極之間的自由振動信號B(圖2中B箭頭所指部分信號)。3)如圖3所示，調(diào)節(jié)數(shù)字示波器3，將步驟2)中壓電晶片2兩電極之間的自由振 動信號B放大，并用現(xiàn)有技術(shù)中的計(jì)算機(jī)軟件對該放大信號進(jìn)行快速傅立葉變換分析。4)如圖4所示，取步驟3)中傅立葉變換分析得到的頻譜圖上的峰值的頻率，則為 該被測壓電晶片2的本征頻率。5)調(diào)節(jié)改變步驟2)中函數(shù)發(fā)生器1的頻率f，從而改變Tone-Burst正弦波信號 的頻率到另一段頻率范圍，重復(fù)步驟幻和步驟4)，可測得壓電晶片2的各個(gè)本征頻率。分析說明傳統(tǒng)的傳輸線路測量法需要在壓電晶片的本征頻率附近范圍，人工仔細(xì)搜尋阻抗最小時(shí)的本征頻率點(diǎn)，而本專利技術(shù)則不需這個(gè)搜尋過程。因?yàn)楸緦＠夹g(shù)中的 Tone-Burst激勵(lì)脈沖信號中含有較寬范圍的各連續(xù)頻率分量的信號，即激勵(lì)脈沖信號的 頻譜寬度較寬，一般可以在測試時(shí)事先估算壓電晶片的本征頻率范圍，設(shè)置Tone-Burst信 號，使激勵(lì)信號中含有壓電晶片本征頻率的成分，而壓電晶片在本征頻率激勵(lì)下阻抗最小， 振動最強(qiáng)，因此一旦停止激勵(lì)后，壓電晶片的自由振動信號就主要是其本征頻率的信號，因 而可以用傅立葉變換的方法測得其本征頻率。對Tone-Burst信號進(jìn)行舉例說明如圖5所示，Tone-Burst信號類似脈沖群信號，可由函數(shù)發(fā)生器設(shè)置產(chǎn)生，圖5中 的"Tone-Burst正弦波信號的頻率調(diào)節(jié)為150KHz，但其頻譜范圍約為145 155KHz，每次脈 沖信號中有9個(gè)正弦波，這種脈沖是用于激勵(lì)壓電晶片的，然后停頓一段時(shí)間，以一定的周 期再次激勵(lì)同樣的脈沖，停頓的時(shí)間一般可以為0. 5 2秒鐘。下面列舉一具體實(shí)施例如圖1所示，測量一個(gè)PZT-5長方體壓電晶片，其尺寸為34mm (長度L) X 14mm (寬 度W) X 5mm (厚度T)。壓電晶片厚度方向極化，厚度方向施加激勵(lì)電場。1)設(shè)置采用本專利技術(shù)方法對壓電晶片進(jìn)行測量的裝置。2)如圖2所示，開啟函數(shù)發(fā)生器1，函數(shù)發(fā)生器1產(chǎn)生18個(gè)周期數(shù)的Tone-Burst 正弦波信號A(圖中A箭頭所指部分信號)，在此過程中，函數(shù)發(fā)生器1以頻率f對壓電晶 片2進(jìn)行電脈沖激勵(lì)，使壓電晶片2產(chǎn)生振動，當(dāng)函數(shù)發(fā)生器1完成周期數(shù)時(shí)，對壓電晶片 2的電脈沖激勵(lì)停止，壓電本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種壓電晶片本征頻率的測量方法，其包括以下步驟：１）設(shè)置一測量裝置，其包括一函數(shù)發(fā)生器，所述函數(shù)發(fā)生器的輸出端連接壓電晶片的兩電極，所述壓電晶片的兩電極上還并聯(lián)連接一數(shù)字示波器；２）開啟函數(shù)發(fā)生器，使其產(chǎn)生一定周期數(shù)的Ｔｏｎｅ－Ｂｕｒｓｔ正弦波信號，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器以頻率ｆ對壓電晶片進(jìn)行電脈沖激勵(lì)，使壓電晶片產(chǎn)生振動；當(dāng)函數(shù)發(fā)生器完成周期數(shù)時(shí)，對壓電晶片的電脈沖激勵(lì)停止，壓電晶片開始自由振動，通過數(shù)字示波器采集壓電晶片兩電極之間的自由振動信號；３）調(diào)節(jié)數(shù)字示波器，將步驟２）中壓電晶片兩電極之間的自由振動信號放大，并對該放大信號進(jìn)行快速傅立葉變換分析；４）取步驟３）中傅立葉變換分析得到的頻譜圖上的峰值的頻率，則為該被測壓電晶片的本征頻率；５）調(diào)節(jié)改變步驟２）中函數(shù)發(fā)生器的頻率ｆ，重復(fù)步驟３）和步驟４），可測得壓電晶片的各個(gè)本征頻率。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：曹靜，蔡桂喜，張恩勇，周慶祥，沙勇，董瑞琪，劉芳，張雙楠，劉暢，
申請(專利權(quán))人：中國海洋石油總公司，中海石油研究中心，中國科學(xué)院金屬研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：11