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恒波超聲波
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超聲波換能器阻抗測試儀

 二維碼 2651
發表時間:2019-07-15 22:25網址:http://www.thisweekendsmovies.com/h-nd-580.html

壓電陶瓷超聲波換能器阻抗測試儀介紹

一.   產品外觀圖


便攜式超聲波換能器阻抗測試儀

二、操作界面

1.觸摸屏畫面


20190715

2、連接計算機顯示圖

超聲波換能器阻抗測試儀工作界面

主要適用對象為各類超聲器件參數特性的測量,包括:壓電陶瓷、換能器、超聲清洗機、超聲塑焊機、水聲、磁致伸縮材料、超聲粉碎機、超聲霧化、超聲潔牙、倒車雷達、超聲測距、超聲乳化、超聲除垢、超聲馬達等等所有使用超聲的設備。

對壓電器件的進行阻抗測量是正確使用器件的前提條件。對于壓電器件,通過阻抗分析儀可以得到其主要參數,包括:諧振頻率Fs、反諧振頻率Fp、半功率點F1與 F2、最大導納Gmax、靜電容C0、動態電抗R1、動態電容C1、動態電感L1、自由電容CT、自由介電常數、機械品質因素Qm、機電耦合系數Keff、Kp、K31、K33等,并可以繪制壓電器件的五種特性曲線(導納特性圖、阻抗特性圖、導納極坐標圖、阻抗極坐標圖、對數坐標圖)。

三、測量圖形與參數簡介

本測試分析儀可以測量以下參數:
1)諧振頻率Fs:壓電振子等效電路中串聯支路的諧振頻率,在這個頻率下,壓電振子的阻抗最小。如下圖標為“Fs”處的頻率值。
2)最大電導Gmax:壓電振子諧振時的導納值的實部,即“Fs”處的導納實部。


)半功率點F1與F2:從導納圓上看,導納實部等于Gmax/2處的頻率,這樣的頻率有兩個,大于Fs的為F2,小于Fs的為F1,如圖上標為“F1”和“F2”處的頻率值。

4)反諧振頻率Fp:壓電振子并聯支路的諧振頻率,在這個頻率下,壓電振子的阻抗最大。如圖上標為“Fp”處的頻率值。
5)機械品質因數Qm:計算公式為Qm=
 中Fs為諧振頻率,F1、F2為半功率點?;蛘逹m= ,其中R1為動態電阻,L1為動態電感,C1為動態電容。這兩個公式計算結果完全相同

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

7)動態電阻R1:即為圖中壓電振子串聯支路的電阻。計算公式為:R1=1/Gmax,其中Gmax為最大導納。

8)動態電感L1:即為圖中壓電振子串聯支路的電感。計算公式為:

L1 ,其中R1為動態電阻,F1、F2為半功率點。

9)動態電容C1:即為圖中壓電振子串聯支路的電容。計算公式為:

C1 ,其中Fs為諧振頻率,L1為動態電感。

10)靜態電容C0:計算公式為C0=CT-C1,其中CT為自由電容,C1為動態電容。

注:靜態電容也可以根據導納圓圓心和電導軸(G軸)的偏移距離來計算。但是在實際應用中,一般都采用公式C0=CT-C1,因此這里也采用C0=CT-C1作為靜電容的計算公式。

11)有效機電耦合系數Keff:

Keff定義為無負載的壓電振子在機械諧振時,貯存的機械能與貯存的全部能量比值的平方根。其計算公式為:Keff=

12)平面機電耦合系數Kp:

這個參數僅用于壓電陶瓷片,它反映的是薄圓片沿厚度方向極化和電激勵,作徑向伸縮振動時,有關其機電耦合效應的參數。計算公式可以在軟件中選擇。

13)自由介電常數:
這個參數僅適用于壓電陶瓷片,計算公式為;
 ,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分析儀可以提供以下坐標特性圖:

1)導納坐標系GBF坐標曲線:

左邊曲線:橫坐標——導納實部G、縱坐標——導納虛部B

右邊曲線:紅色——導納實部G、藍色——導納虛部B、縱坐標——頻率

超聲波換能器阻抗測試圖


左邊曲線:橫坐標——阻抗實部R、縱坐標——阻抗虛部X

右邊曲線:紅色——阻抗實部R、藍色——阻抗虛部X、縱坐標——頻率

3)阻抗極坐標系ZθF坐標曲線:

紅色——阻抗模|Z|、藍色——阻抗相位、縱坐標——頻率

超聲波換能器阻抗測試儀

4)導納極坐標系YθF坐標曲線:

紅色——導納模|Y|、藍色——導納相位、縱坐標——頻率

5)對數坐標系:

左邊曲線:橫坐標——導納實部G、縱坐標——導納虛部B

右邊曲線:紅色——阻抗模的對數Lg|Z|、藍色——阻抗相位、縱坐標——頻率

超聲波阻抗測試儀

四、儀器參數解讀

評定一個振子或振動系統的性能優劣,需要從參數和導納曲線圖兩方面進行分析:
1)參數:

可以評定壓電陶瓷片、壓電換能器、整個振動系統(換能器加上變幅桿、模具)等各種器件設備的性能優劣。分析儀分析超聲器件設備,最重要的幾個參數如下:
Fs:機械諧振頻率,即振動系統的工作頻率、設計中應盡可能接近期望值,并且必須與電源工作點匹配。
對于清洗機,振子的諧振頻率一致性越高越好。
對于塑焊機或超聲加工,變幅桿或模具設計不合理的情況下,振子的諧振頻率會偏離工作點。
R1:動態電阻,壓電振子串聯支路的電阻,在相同的支撐條件下越小越好。對于清洗或焊接振子來說,一般在5Ω~20Ω之間。如果太大的話,振子或振動系統工作會有問題,如電路不匹配或轉換效率低、振子壽命短。
Qm:機械品質因素,以電導曲線法確定,Qm=Fs/(F2-F1),Qm越高越好,因為Qm越高,振子的效率越高;但Qm必須與電源匹配,Qm值太高時,電源無法匹配。
對于清洗振子來說,Qm值越高越好,一般來說,清洗振子的Qm要達到500~1000之間,太低的話,振子效率低,太高的話,電源無法匹配。
對于超聲焊接或加工來說,振子本身的Qm值一般在500~1000左右,整機系統在1500~3000,太低的話,振動效率低,但是也不能太高,因為Qm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,設備無法工作。
CT:自由電容,壓電器件在1kHz頻率下的電容值,此值和數字電容表測得的值是一致的。這個值減掉動態電容C1就可以得到真正的靜電容C0,C0=CT-C1。使用時要以電感對C0進行平衡。
在清洗機或超聲加工機器的電路設計中,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,并聯調諧和串聯調諧。

Fp:反諧振頻率,壓電振子并聯支路的諧振頻率,在這個頻率下,壓電振子的阻抗Zmax最大,如果反諧振阻抗Zmax很低,則振子有問題。

2)圖形

本分析儀提供五種坐標特性圖,其中對數特性圖對于壓電器件的檢測有重要的意義。壓電振子或振動系統的振動性能可以直接通過對數坐標圖進行判斷,比較直觀,很實用。
正常的情況下,導納圓與電導曲線如下圖,導納圓為單圓,對數坐標圖只有一對極小值和極大值:

超聲波換能器測試圖

異常情況下,導納圓與電導曲線如下圖, 導納圓圖上出現多個寄生小圓,對數坐標圖有多對極小值和極大值:

超聲波換能器導納測試

在以下的情況中,壓電陶瓷或換能器的導納圓與電導曲線會出現異常:
1)換能器在裝配時出現晶片裂。
2)壓電陶瓷本身有問題,如內部分層。
3)超聲變幅桿、模具的設計或裝配出現問題。
4)換能器同心度差造成的應力桿周圍零件相碰。
一般來說,導納曲線圖和參數互相有關聯,如果振子的導納曲線圖正常,則R1較低,Qm較高,反之如果振子的導納曲線圖異常,一般R1較大,Qm較小。

對于換能器來說,往往有很多諧振點,第一振動、第二振動、第三振動等等,一般來說,第一振動(一般為厚向振動模式,用戶所用模式)與第二振動相隔越遠越好,因為第二振動為其他模式的振動(如彎曲、扭轉等等),在第一振動模式工作的時候,第二振動也會產生振動,從而影響換能器壽命,它們隔得越遠,影響越小。

五、導納圓的原理
對于壓電器件來說,如果在離某一諧振頻率很遠的頻率上,沒有其他諧振,則在這個諧振頻率附近可把壓電器件近似看成一個集總系統,其符號和等效電路如左下圖所示:

超聲波換能器等效圖

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

在這個等效電路中,假定壓電器件的總導納為Y,并聯支路和串聯支路(或稱之為靜態導納和動態導納)分別為Y0和Y1,則Y=Y0+Y1。通過運算可以得出動態導納Y1和總導納Y隨頻率變化的情況。

取橫坐標表示電導(導納的實部),取縱坐標表示電納(導納的虛部)。當頻率在諧振頻率附近的范圍內發生變化時,Y1的相矢終端軌跡為一圓,其圓心為(1/2R1,0),半徑為1/2R1。

當Y1的相矢終端旋轉一周時,Y0的相矢終端隨頻率變化一般較小,近似認為為一常數,于是,把Y1的軌跡圓在復平面上沿縱軸向上平移。即可得到總導納的相矢終端隨頻率變化的軌跡圓,即所謂的導納圓。

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

1

Fs

機械(串聯)諧振頻率

換能器的工作頻率點

Fp

并聯諧振頻率


2

Fm

最大導納頻率

換能器阻抗最小

Fn

最小導納頻率

換能器阻抗最大

3

Fr

諧振頻率(B=0)

阻抗相位為零的較低的頻率

Fa

反諧振頻率(B=0)

阻抗相位為零的較高的頻率

阻抗分析儀可以提供以上所有的頻率,但是應用中只需要Fs和Fp。
Fm、Fn為傳統的傳輸線法測到的頻率,我們由此可以看到,傳輸線法測到的諧振頻率Fm與換能器的工作頻率Fs還有一些差別,如果導納圓的圓心距離G軸距離較小,可以近似認為:Fs≈Fm≈Fr,Fp≈Fn≈Fa;但是,如果導納圓的圓心距離縱坐標有一定的距離,則Fs與Fm有很大區別。顯然,阻抗分析儀測量的更準確。
Fr和Fa一般的應用中不用。



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