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超声波换能器阻抗测试仪

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发表时间:2019-07-15 22:25网址:http://www.chaoshengbohanjieji.com/h-nd-580.html

压电陶瓷超声波换能器阻抗测试仪介绍

一.   产品外观图


20190715

二、操作界面

1.触摸屏画面


20190715

2、连接计算机显示图

主要适用对象为各类超声器件参数特性的测量,包括:压电陶瓷、换能器、超声清洗机、超声塑焊机、水声、磁致伸缩材料、超声粉碎机、超声雾化、超声洁牙、倒车雷达、超声测距、超声乳化、超声除垢、超声马达等等所有使用超声的设备。

对压电器件的进行阻抗测量是正确使用器件的前提条件。对于压电器件,通过阻抗分析仪可以得到其主要参数,包括:谐振频率Fs、反谐振频率Fp、半功率点F1与 F2、最大导纳Gmax、静电容C0、动态电抗R1、动态电容C1、动态电感L1、自由电容CT、自由介电常数、机械品质因素Qm、机电耦合系数Keff、Kp、K31、K33等,并可以绘制压电器件的五种特性曲线(导纳特性图、阻抗特性图、导纳极坐标图、阻抗极坐标图、对数坐标图)。

三、测量图形与参数简介

本测试分析仪可以测量以下参数:
1)谐振频率Fs:压电振子等效电路中串联支路的谐振频率,在这个频率下,压电振子的阻抗最小。如下图标为“Fs”处的频率值。
2)最大电导Gmax:压电振子谐振时的导纳值的实部,即“Fs”处的导纳实部。


)半功率点F1与F2:从导纳圆上看,导纳实部等于Gmax/2处的频率,这样的频率有两个,大于Fs的为F2,小于Fs的为F1,如图上标为“F1”和“F2”处的频率值。

4)反谐振频率Fp:压电振子并联支路的谐振频率,在这个频率下,压电振子的阻抗最大。如图上标为“Fp”处的频率值。
5)机械品质因数Qm:计算公式为Qm=
 中Fs为谐振频率,F1、F2为半功率点。或者Qm= ,其中R1为动态电阻,L1为动态电感,C1为动态电容。这两个公式计算结果完全相同

6)自由电容CT:压电器件在1kHz频率下的电容值。此值和数字电桥测得的值是一致的。

7)动态电阻R1:即为图中压电振子串联支路的电阻。计算公式为:R1=1/Gmax,其中Gmax为最大导纳。

8)动态电感L1:即为图中压电振子串联支路的电感。计算公式为:

L1 ,其中R1为动态电阻,F1、F2为半功率点。

9)动态电容C1:即为图中压电振子串联支路的电容。计算公式为:

C1 ,其中Fs为谐振频率,L1为动态电感。

10)静态电容C0:计算公式为C0=CT-C1,其中CT为自由电容,C1为动态电容。

注:静态电容也可以根据导纳圆圆心和电导轴(G轴)的偏移距离来计算。但是在实际应用中,一般都采用公式C0=CT-C1,因此这里也采用C0=CT-C1作为静电容的计算公式。

11)有效机电耦合系数Keff:

Keff定义为无负载的压电振子在机械谐振时,贮存的机械能与贮存的全部能量比值的平方根。其计算公式为:Keff=

12)平面机电耦合系数Kp:

这个参数仅用于压电陶瓷片,它反映的是薄圆片沿厚度方向极化和电激励,作径向伸缩振动时,有关其机电耦合效应的参数。计算公式可以在软件中选择。

13)自由介电常数:
这个参数仅适用于压电陶瓷片,计算公式为;
 ,其中CT为自由电容,单位是pF;t为薄圆片厚度,单位是cm;D为薄圆片直径,单位是cm。

超声波换能器性能参数分析仪可以提供以下坐标特性图:

1)导纳坐标系GBF坐标曲线:

左边曲线:横坐标——导纳实部G、纵坐标——导纳虚部B

右边曲线:红色——导纳实部G、蓝色——导纳虚部B、纵坐标——频率


左边曲线:横坐标——阻抗实部R、纵坐标——阻抗虚部X

右边曲线:红色——阻抗实部R、蓝色——阻抗虚部X、纵坐标——频率

3)阻抗极坐标系ZθF坐标曲线:

红色——阻抗模|Z|、蓝色——阻抗相位、纵坐标——频率

4)导纳极坐标系YθF坐标曲线:

红色——导纳模|Y|、蓝色——导纳相位、纵坐标——频率

5)对数坐标系:

左边曲线:横坐标——导纳实部G、纵坐标——导纳虚部B

右边曲线:红色——阻抗模的对数Lg|Z|、蓝色——阻抗相位、纵坐标——频率

四、仪器参数解读

评定一个振子或振动系统的性能优劣,需要从参数和导纳曲线图两方面进行分析:
1)参数:

可以评定压电陶瓷片、压电换能器、整个振动系统(换能器加上变幅杆、模具)等各种器件设备的性能优劣。分析仪分析超声器件设备,最重要的几个参数如下:
Fs:机械谐振频率,即振动系统的工作频率、设计中应尽可能接近期望值,并且必须与电源工作点匹配。
对于清洗机,振子的谐振频率一致性越高越好。
对于塑焊机或超声加工,变幅杆或模具设计不合理的情况下,振子的谐振频率会偏离工作点。
R1:动态电阻,压电振子串联支路的电阻,在相同的支撑条件下越小越好。对于清洗或焊接振子来说,一般在5Ω~20Ω之间。如果太大的话,振子或振动系统工作会有问题,如电路不匹配或转换效率低、振子寿命短。
Qm:机械品质因素,以电导曲线法确定,Qm=Fs/(F2-F1),Qm越高越好,因为Qm越高,振子的效率越高;但Qm必须与电源匹配,Qm值太高时,电源无法匹配。
对于清洗振子来说,Qm值越高越好,一般来说,清洗振子的Qm要达到500~1000之间,太低的话,振子效率低,太高的话,电源无法匹配。
对于超声焊接或加工来说,振子本身的Qm值一般在500~1000左右,整机系统在1500~3000,太低的话,振动效率低,但是也不能太高,因为Qm越高,工作带宽越窄,电源难以匹配,即:电源难以工作在谐振频率点,设备无法工作。
CT:自由电容,压电器件在1kHz频率下的电容值,此值和数字电容表测得的值是一致的。这个值减掉动态电容C1就可以得到真正的静电容C0,C0=CT-C1。使用时要以电感对C0进行平衡。
在清洗机或超声加工机器的电路设计中,正确地平衡C0可以提高电源的功率因素,使用电感平衡有两种方法,并联调谐和串联调谐。

Fp:反谐振频率,压电振子并联支路的谐振频率,在这个频率下,压电振子的阻抗Zmax最大,如果反谐振阻抗Zmax很低,则振子有问题。

2)图形

本分析仪提供五种坐标特性图,其中对数特性图对于压电器件的检测有重要的意义。压电振子或振动系统的振动性能可以直接通过对数坐标图进行判断,比较直观,很实用。
正常的情况下,导纳圆与电导曲线如下图,导纳圆为单圆,对数坐标图只有一对极小值和极大值:

异常情况下,导纳圆与电导曲线如下图, 导纳圆图上出现多个寄生小圆,对数坐标图有多对极小值和极大值:

在以下的情况中,压电陶瓷或换能器的导纳圆与电导曲线会出现异常:
1)换能器在装配时出现晶片裂。
2)压电陶瓷本身有问题,如内部分层。
3)超声变幅杆、模具的设计或装配出现问题。
4)换能器同心度差造成的应力杆周围零件相碰。
一般来说,导纳曲线图和参数互相有关联,如果振子的导纳曲线图正常,则R1较低,Qm较高,反之如果振子的导纳曲线图异常,一般R1较大,Qm较小。

对于换能器来说,往往有很多谐振点,第一振动、第二振动、第三振动等等,一般来说,第一振动(一般为厚向振动模式,用户所用模式)与第二振动相隔越远越好,因为第二振动为其他模式的振动(如弯曲、扭转等等),在第一振动模式工作的时候,第二振动也会产生振动,从而影响换能器寿命,它们隔得越远,影响越小。

五、导纳圆的原理
对于压电器件来说,如果在离某一谐振频率很远的频率上,没有其他谐振,则在这个谐振频率附近可把压电器件近似看成一个集总系统,其符号和等效电路如左下图所示:

上图左边为为压电器件的等效电路。其中C0是静态电容,R1、C1、L1分别为动态阻抗中的电阻、电容、电感。

在这个等效电路中,假定压电器件的总导纳为Y,并联支路和串联支路(或称之为静态导纳和动态导纳)分别为Y0和Y1,则Y=Y0+Y1。通过运算可以得出动态导纳Y1和总导纳Y随频率变化的情况。

取横坐标表示电导(导纳的实部),取纵坐标表示电纳(导纳的虚部)。当频率在谐振频率附近的范围内发生变化时,Y1的相矢终端轨迹为一圆,其圆心为(1/2R1,0),半径为1/2R1。

当Y1的相矢终端旋转一周时,Y0的相矢终端随频率变化一般较小,近似认为为一常数,于是,把Y1的轨迹圆在复平面上沿纵轴向上平移。即可得到总导纳的相矢终端随频率变化的轨迹圆,即所谓的导纳圆。

利用导纳圆图,可以求出压电器件的等效电路和其他一些重要的参数,从图中可以看到三对谐振频率:

1

Fs

机械(串联)谐振频率

换能器的工作频率点

Fp

并联谐振频率


2

Fm

最大导纳频率

换能器阻抗最小

Fn

最小导纳频率

换能器阻抗最大

3

Fr

谐振频率(B=0)

阻抗相位为零的较低的频率

Fa

反谐振频率(B=0)

阻抗相位为零的较高的频率

阻抗分析仪可以提供以上所有的频率,但是应用中只需要Fs和Fp。
Fm、Fn为传统的传输线法测到的频率,我们由此可以看到,传输线法测到的谐振频率Fm与换能器的工作频率Fs还有一些差别,如果导纳圆的圆心距离G轴距离较小,可以近似认为:Fs≈Fm≈Fr,Fp≈Fn≈Fa;但是,如果导纳圆的圆心距离纵坐标有一定的距离,则Fs与Fm有很大区别。显然,阻抗分析仪测量的更准确。
Fr和Fa一般的应用中不用。



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