压电陶瓷超声波换能器阻抗测试仪介绍

一.   产品外观图

二、操作界面

1.触摸屏画面

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：

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。