[發(fā)明專利]一種壓電晶片本征頻率的測量方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010552783.6
• 申請日: 2010-11-19
• 公開（公告）號: CN102095490A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 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
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;關(guān)暢

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測量方法，特別是關(guān)于一種壓電晶片本征頻率的測量方法。

背景技術(shù)

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，通過頻率計即可讀出壓電晶片的本征頻率。這種測量方法實質(zhì)上是一種共振(諧振)測量方法，其原理是：當(dāng)某一頻率的電激勵信號使壓電晶片處于諧振或反諧振狀態(tài)時，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。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明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。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：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，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，對壓電晶片的電脈沖激勵停止，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。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明由于采用數(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、本發(fā)明通過設(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，使壓電晶片產(chǎn)生振動，并且激勵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、本發(fā)明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。本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，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是本發(fā)明測量電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本發(fā)明示波器測量得到的信號波形示意圖

圖3是本發(fā)明示波器測得的自由振動信號波形的放大示意圖

圖4是本發(fā)明示波器測得的自由振動信號波形的頻譜示意圖

圖5是本發(fā)明Tone-Burst信號的一個實施例示意圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本發(fā)明基于以下原理：當(dāng)一個壓電晶片受到交變電場的激勵作用時，由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生機(jī)械振動。當(dāng)這種電激勵停止時，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。

本發(fā)明包括以下步驟：