超聲波換能器阻抗測(cè)試儀

壓電陶瓷超聲波換能器阻抗測(cè)試儀介紹

一.   產(chǎn)品外觀圖

二、操作界面

1.觸摸屏畫(huà)面

2、連接計(jì)算機(jī)顯示圖

主要適用對(duì)象為各類(lèi)超聲器件參數(shù)特性的測(cè)量，包括：壓電陶瓷、換能器、超聲清洗機(jī)、超聲塑焊機(jī)、水聲、磁致伸縮材料、超聲粉碎機(jī)、超聲霧化、超聲潔牙、倒車(chē)?yán)走_(dá)、超聲測(cè)距、超聲乳化、超聲除垢、超聲馬達(dá)等等所有使用超聲的設(shè)備。

對(duì)壓電器件的進(jìn)行阻抗測(cè)量是正確使用器件的前提條件。對(duì)于壓電器件，通過(guò)阻抗分析儀可以得到其主要參數(shù)，包括：諧振頻率Fs、反諧振頻率Fp、半功率點(diǎn)F1與 F2、最大導(dǎo)納Gmax、靜電容C0、動(dòng)態(tài)電抗R1、動(dòng)態(tài)電容C1、動(dòng)態(tài)電感L1、自由電容CT、自由介電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因素Qm、機(jī)電耦合系數(shù)Keff、Kp、K31、K33等，并可以繪制壓電器件的五種特性曲線（導(dǎo)納特性圖、阻抗特性圖、導(dǎo)納極坐標(biāo)圖、阻抗極坐標(biāo)圖、對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖）。

三、測(cè)量圖形與參數(shù)簡(jiǎn)介

本測(cè)試分析儀可以測(cè)量以下參數(shù)：
1）諧振頻率Fs：壓電振子等效電路中串聯(lián)支路的諧振頻率，在這個(gè)頻率下，壓電振子的阻抗最小。如下圖標(biāo)為“Fs”處的頻率值。
2）最大電導(dǎo)Gmax：壓電振子諧振時(shí)的導(dǎo)納值的實(shí)部，即“Fs”處的導(dǎo)納實(shí)部。

）半功率點(diǎn)F1與F2：從導(dǎo)納圓上看，導(dǎo)納實(shí)部等于Gmax／2處的頻率，這樣的頻率有兩個(gè)，大于Fs的為F2，小于Fs的為F1，如圖上標(biāo)為“F1”和“F2”處的頻率值。

4）反諧振頻率Fp：壓電振子并聯(lián)支路的諧振頻率，在這個(gè)頻率下，壓電振子的阻抗最大。如圖上標(biāo)為“Fp”處的頻率值。
5）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm：計(jì)算公式為Qm＝中Fs為諧振頻率，F(xiàn)1、F2為半功率點(diǎn)?；蛘逹m＝，其中R1為動(dòng)態(tài)電阻，L1為動(dòng)態(tài)電感，C1為動(dòng)態(tài)電容。這兩個(gè)公式計(jì)算結(jié)果完全相同

6）自由電容CT：壓電器件在1kHz頻率下的電容值。此值和數(shù)字電橋測(cè)得的值是一致的。

7）動(dòng)態(tài)電阻R1：即為圖中壓電振子串聯(lián)支路的電阻。計(jì)算公式為：R1＝1／Gmax，其中Gmax為最大導(dǎo)納。

8）動(dòng)態(tài)電感L1：即為圖中壓電振子串聯(lián)支路的電感。計(jì)算公式為：

L1＝，其中R1為動(dòng)態(tài)電阻，F(xiàn)1、F2為半功率點(diǎn)。

9）動(dòng)態(tài)電容C1：即為圖中壓電振子串聯(lián)支路的電容。計(jì)算公式為：

C1＝，其中Fs為諧振頻率，L1為動(dòng)態(tài)電感。

10）靜態(tài)電容C0：計(jì)算公式為C0＝CT－C1，其中CT為自由電容，C1為動(dòng)態(tài)電容。

注：靜態(tài)電容也可以根據(jù)導(dǎo)納圓圓心和電導(dǎo)軸（G軸）的偏移距離來(lái)計(jì)算。但是在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用公式C0＝CT－C1，因此這里也采用C0＝CT－C1作為靜電容的計(jì)算公式。

11）有效機(jī)電耦合系數(shù)Keff：

Keff定義為無(wú)負(fù)載的壓電振子在機(jī)械諧振時(shí)，貯存的機(jī)械能與貯存的全部能量比值的平方根。其計(jì)算公式為：Keff＝

12）平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp：

這個(gè)參數(shù)僅用于壓電陶瓷片，它反映的是薄圓片沿厚度方向極化和電激勵(lì)，作徑向伸縮振動(dòng)時(shí)，有關(guān)其機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。計(jì)算公式可以在軟件中選擇。

13）自由介電常數(shù)：
這個(gè)參數(shù)僅適用于壓電陶瓷片，計(jì)算公式為；，其中CT為自由電容，單位是pF；t為薄圓片厚度，單位是cm；D為薄圓片直徑，單位是cm。

超聲波換能器性能參數(shù)分析儀可以提供以下坐標(biāo)特性圖：

1）導(dǎo)納坐標(biāo)系GBF坐標(biāo)曲線：

左邊曲線：橫坐標(biāo)——導(dǎo)納實(shí)部G、縱坐標(biāo)——導(dǎo)納虛部B

右邊曲線：紅色——導(dǎo)納實(shí)部G、藍(lán)色——導(dǎo)納虛部B、縱坐標(biāo)——頻率

左邊曲線：橫坐標(biāo)——阻抗實(shí)部R、縱坐標(biāo)——阻抗虛部X

右邊曲線：紅色——阻抗實(shí)部R、藍(lán)色——阻抗虛部X、縱坐標(biāo)——頻率

3）阻抗極坐標(biāo)系ZθF坐標(biāo)曲線：

紅色——阻抗模|Z|、藍(lán)色——阻抗相位、縱坐標(biāo)——頻率

4）導(dǎo)納極坐標(biāo)系YθF坐標(biāo)曲線：

紅色——導(dǎo)納模|Y|、藍(lán)色——導(dǎo)納相位、縱坐標(biāo)——頻率

5）對(duì)數(shù)坐標(biāo)系：

左邊曲線：橫坐標(biāo)——導(dǎo)納實(shí)部G、縱坐標(biāo)——導(dǎo)納虛部B

右邊曲線：紅色——阻抗模的對(duì)數(shù)Lg|Z|、藍(lán)色——阻抗相位、縱坐標(biāo)——頻率

四、儀器參數(shù)解讀

評(píng)定一個(gè)振子或振動(dòng)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，需要從參數(shù)和導(dǎo)納曲線圖兩方面進(jìn)行分析：
1）參數(shù)：

可以評(píng)定壓電陶瓷片、壓電換能器、整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)（換能器加上變幅桿、模具）等各種器件設(shè)備的性能優(yōu)劣。分析儀分析超聲器件設(shè)備，最重要的幾個(gè)參數(shù)如下：
Fs：機(jī)械諧振頻率，即振動(dòng)系統(tǒng)的工作頻率、設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能接近期望值，并且必須與電源工作點(diǎn)匹配。
對(duì)于清洗機(jī)，振子的諧振頻率一致性越高越好。
對(duì)于塑焊機(jī)或超聲加工，變幅桿或模具設(shè)計(jì)不合理的情況下，振子的諧振頻率會(huì)偏離工作點(diǎn)。
R1：動(dòng)態(tài)電阻，壓電振子串聯(lián)支路的電阻，在相同的支撐條件下越小越好。對(duì)于清洗或焊接振子來(lái)說(shuō)，一般在5Ω～20Ω之間。如果太大的話，振子或振動(dòng)系統(tǒng)工作會(huì)有問(wèn)題，如電路不匹配或轉(zhuǎn)換效率低、振子壽命短。
Qm：機(jī)械品質(zhì)因素，以電導(dǎo)曲線法確定，Qm＝Fs／(F2－F1)，Qm越高越好，因?yàn)镼m越高，振子的效率越高；但Qm必須與電源匹配，Qm值太高時(shí)，電源無(wú)法匹配。
對(duì)于清洗振子來(lái)說(shuō)，Qm值越高越好，一般來(lái)說(shuō)，清洗振子的Qm要達(dá)到500～1000之間，太低的話，振子效率低，太高的話，電源無(wú)法匹配。
對(duì)于超聲焊接或加工來(lái)說(shuō)，振子本身的Qm值一般在500～1000左右，整機(jī)系統(tǒng)在1500～3000，太低的話，振動(dòng)效率低，但是也不能太高，因?yàn)镼m越高，工作帶寬越窄，電源難以匹配，即：電源難以工作在諧振頻率點(diǎn)，設(shè)備無(wú)法工作。
CT：自由電容，壓電器件在1kHz頻率下的電容值，此值和數(shù)字電容表測(cè)得的值是一致的。這個(gè)值減掉動(dòng)態(tài)電容C1就可以得到真正的靜電容C0，C0＝CT－C1。使用時(shí)要以電感對(duì)C0進(jìn)行平衡。
在清洗機(jī)或超聲加工機(jī)器的電路設(shè)計(jì)中，正確地平衡C0可以提高電源的功率因素，使用電感平衡有兩種方法，并聯(lián)調(diào)諧和串聯(lián)調(diào)諧。

Fp：反諧振頻率，壓電振子并聯(lián)支路的諧振頻率，在這個(gè)頻率下，壓電振子的阻抗Zmax最大，如果反諧振阻抗Zmax很低，則振子有問(wèn)題。

2)圖形

本分析儀提供五種坐標(biāo)特性圖，其中對(duì)數(shù)特性圖對(duì)于壓電器件的檢測(cè)有重要的意義。壓電振子或振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)性能可以直接通過(guò)對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖進(jìn)行判斷，比較直觀，很實(shí)用。
正常的情況下，導(dǎo)納圓與電導(dǎo)曲線如下圖，導(dǎo)納圓為單圓，對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖只有一對(duì)極小值和極大值：

異常情況下，導(dǎo)納圓與電導(dǎo)曲線如下圖, 導(dǎo)納圓圖上出現(xiàn)多個(gè)寄生小圓，對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖有多對(duì)極小值和極大值：

在以下的情況中，壓電陶瓷或換能器的導(dǎo)納圓與電導(dǎo)曲線會(huì)出現(xiàn)異常：
1）換能器在裝配時(shí)出現(xiàn)晶片裂。
2）壓電陶瓷本身有問(wèn)題，如內(nèi)部分層。
3）超聲變幅桿、模具的設(shè)計(jì)或裝配出現(xiàn)問(wèn)題。
4）換能器同心度差造成的應(yīng)力桿周?chē)慵嗯觥?br />一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)納曲線圖和參數(shù)互相有關(guān)聯(lián)，如果振子的導(dǎo)納曲線圖正常，則R1較低，Qm較高，反之如果振子的導(dǎo)納曲線圖異常，一般R1較大，Qm較小。

對(duì)于換能器來(lái)說(shuō)，往往有很多諧振點(diǎn)，第一振動(dòng)、第二振動(dòng)、第三振動(dòng)等等，一般來(lái)說(shuō)，第一振動(dòng)（一般為厚向振動(dòng)模式，用戶(hù)所用模式）與第二振動(dòng)相隔越遠(yuǎn)越好，因?yàn)榈诙駝?dòng)為其他模式的振動(dòng)（如彎曲、扭轉(zhuǎn)等等），在第一振動(dòng)模式工作的時(shí)候，第二振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響換能器壽命，它們隔得越遠(yuǎn)，影響越小。

五、導(dǎo)納圓的原理
對(duì)于壓電器件來(lái)說(shuō)，如果在離某一諧振頻率很遠(yuǎn)的頻率上，沒(méi)有其他諧振，則在這個(gè)諧振頻率附近可把壓電器件近似看成一個(gè)集總系統(tǒng)，其符號(hào)和等效電路如左下圖所示：

上圖左邊為為壓電器件的等效電路。其中C0是靜態(tài)電容，R1、C1、L1分別為動(dòng)態(tài)阻抗中的電阻、電容、電感。

在這個(gè)等效電路中，假定壓電器件的總導(dǎo)納為Y，并聯(lián)支路和串聯(lián)支路（或稱(chēng)之為靜態(tài)導(dǎo)納和動(dòng)態(tài)導(dǎo)納）分別為Y0和Y1，則Y=Y0+Y1。通過(guò)運(yùn)算可以得出動(dòng)態(tài)導(dǎo)納Y1和總導(dǎo)納Y隨頻率變化的情況。

取橫坐標(biāo)表示電導(dǎo)（導(dǎo)納的實(shí)部），取縱坐標(biāo)表示電納（導(dǎo)納的虛部）。當(dāng)頻率在諧振頻率附近的范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，Y1的相矢終端軌跡為一圓，其圓心為（1/2R1，0），半徑為1/2R1。

當(dāng)Y1的相矢終端旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，Y0的相矢終端隨頻率變化一般較小，近似認(rèn)為為一常數(shù)，于是，把Y1的軌跡圓在復(fù)平面上沿縱軸向上平移。即可得到總導(dǎo)納的相矢終端隨頻率變化的軌跡圓，即所謂的導(dǎo)納圓。

利用導(dǎo)納圓圖，可以求出壓電器件的等效電路和其他一些重要的參數(shù)，從圖中可以看到三對(duì)諧振頻率：

阻抗分析儀可以提供以上所有的頻率，但是應(yīng)用中只需要Fs和Fp。
Fm、Fn為傳統(tǒng)的傳輸線法測(cè)到的頻率，我們由此可以看到，傳輸線法測(cè)到的諧振頻率Fm與換能器的工作頻率Fs還有一些差別，如果導(dǎo)納圓的圓心距離G軸距離較小，可以近似認(rèn)為：Fs≈Fm≈Fr，F(xiàn)p≈Fn≈Fa；但是，如果導(dǎo)納圓的圓心距離縱坐標(biāo)有一定的距離，則Fs與Fm有很大區(qū)別。顯然，阻抗分析儀測(cè)量的更準(zhǔn)確。
Fr和Fa一般的應(yīng)用中不用。