基于LabView的壓電換能器多路動態(tài)信號采集與分析系統(tǒng)

黃嘉偉，張繼昌，張宏杰

（天津工業(yè)大學機械工程學院，天津300387）

0 引言

先進電子制造是關系到國民經濟、國防建設的戰(zhàn)略性產業(yè)，微連接技術是電子封裝的核心環(huán)節(jié)，壓電換能器是熱超聲引線鍵合及相關超聲輔助精密制造、檢測技術領域中最廣泛采用的換能方式，是將電能轉換為制造、檢測所需機械能的主要途徑之一，圖1所示為用于熱超聲鍵合的壓電超聲換能器的一般結構[1-2]。

圖1 壓電超聲換能器結構圖

由于壓電超聲換能器是多個子系統(tǒng)非線性耦合而成的三維振動系統(tǒng)，因此換能器的動力學行為特性與壓電材料特性、變幅桿結構、換能器裝配、激振信號品質等諸多因素密切相關，因此，要研究換能器的動力學行為特性的影響因素及其規(guī)律，首要的就是需要能夠完整捕捉到換能器在工作時其動態(tài)響應過程，并且能夠對采集的換能器動態(tài)響應信號進行分析，提取其動態(tài)響應特征，為研究換能器動力學行為特性影響因素及規(guī)律，提升換能器能量利用率奠定技術基礎。Or等通過在壓電換能器中安裝壓電傳感器，從而測得換能器在工作過程中的振動信號以及機械阻抗信號等，并以此來評價鍵合質量[2]，王福亮通過設計超聲引線鍵合過程的信號采集及分析系統(tǒng)，得到表征換能器鍵合質量的特征信息，以此來判定換能器的鍵合質量[3]。而本文研究設計了基于LabView[4-5]虛擬儀器技術平臺的壓電超聲換能器數據采集以及分析系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)換能器激勵信號輸出與多路動態(tài)信號采集的同步進行，以及實現(xiàn)大量數據的高速存儲，并通過Matlab對采集信號進行分析，提取信號的包絡線，得到壓電換能器動態(tài)響應信號的性能評價指標。

1 壓電超聲換能器多路動態(tài)信號在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)硬件構成

如圖2所示為換能器多路動態(tài)信號在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)平臺，包括高頻超聲換能系統(tǒng)驅動電源、光學精密隔振平臺、NI高性能數據采集裝備、OptoMET Vector-speed高速型激光多普勒測振儀等設備搭建的換能器多路動態(tài)信號同步監(jiān)測平臺，數據采集卡采用的是NI公司的USB-6366高速數據采集模塊，該采集卡是一款具有8路 AI（16位，2 MS/s），2路AO（3.33 MS/s），24路 DIO，USB 多功能 I/O 設備，USB-6366適用于從基本數據記錄到控制和測試自動化等廣泛的應用。

圖2 高頻超聲壓電換能器多路動態(tài)信號監(jiān)測平臺

2 壓電超聲換能器多路動態(tài)信號監(jiān)測與分析系統(tǒng)軟件總體設計

本文基于LabView虛擬儀器技術開發(fā)了換能器激振信號輸出以及換能器動態(tài)電壓、電流、真有效值、阻抗相位、振幅、振速等信號的高速同步采集與數據存儲軟件，并且通過對多路動態(tài)信號進行分析，研究換能器的動態(tài)響應特性，系統(tǒng)總體功能邏輯框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體功能邏輯框圖

換能器多路動態(tài)信號在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件總體設計如圖4所示，軟件由四個模塊構成，包括換能器激振信號生成模塊、換能器多路動態(tài)信號采集模塊、數據顯示模塊、數據存儲模塊。其中的核心和難點為信號生成與數據采集的同步進行，并且能夠實現(xiàn)掃頻功能，信號生成方式可以選擇按周期或按時間來生成，能夠很好地滿足不同實驗情況所需的條件。

圖4 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件總體設計圖

如圖5所示為系統(tǒng)軟件的前面板窗口，可通過前面板設置激振信號的波形、信號時長、幅值、頻率、輸出通道等參數，以及數據采集的輸入通道、采樣頻率、觸發(fā)源、觸發(fā)電平等參數。

圖5 壓電超聲換能器多路動態(tài)信號在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件前面板

3 換能器多路動態(tài)信號在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)實驗結果

測試換能器選用雙錐型柔性夾持換能器，如圖6中上圖所示，運用扭矩扳手給換能器壓電振子施加4.5 kN裝配預緊力，驅動電源設置換能器加載電壓為20 Vp-p，設置激振頻率為當前換能器諧振頻110.185 kHz，利用激光多普勒測振儀測量換能器前端振幅，并通過數據采集卡獲得換能器電流、振幅、阻抗相位詳細數據信息。如圖6下圖所示為換能器工作在諧振以及非諧振狀態(tài)下，其電流、振幅以及阻抗相位響應信號，從圖中可以看到，采集系統(tǒng)能夠完整采集到換能器響應信號的響應過程，包括暫態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)過程以及衰減過程[6]，為后續(xù)的研究奠定了基礎。

圖6 上圖為雙錐型柔性夾持換能器實物圖，下圖為換能器在諧振及非諧振激勵下響應信號：（a）和（d）為換能器電流響應信號，（b）和（e）為換能器振幅響應信號，（c）和（d）為換能器阻抗相位差信號

為了測試該系統(tǒng)的掃頻功能，測試了在預緊力為4.5 kN，加載電壓為20 Vp-p時，激振頻率設置為109.385～110.185 kHz，頻率步長設置為80 Hz，信號時長為三種（2.5 ms、3 ms、7 ms）情況下，換能器電流動態(tài)響應信號如圖7所示。

圖7 換能器掃頻激勵下電流響應信號

通過采集系統(tǒng)得到換能器響應信號之后，為了研究響應信號的動態(tài)響應特性，本文運用Matlab對換能器動態(tài)響應信號進行包絡線提取，得到換能器動態(tài)響應特性評價指標，如超調量、調節(jié)時間、上升時間等等，圖8所示為在預緊力為4.5 kN，加載電壓設置為20 Vp-p時，換能器在諧振及非諧振激勵下響應信號的包絡線提取，從提取的包絡線中能夠清晰的得到換能器動態(tài)響應特性的評價指標，其中圖8（a）中Tr為換能器諧振電流信號上升時間，圖8（b）Ts為換能器非諧振電流信號調節(jié)時間，Mp為電流信號包絡線峰值，F(xiàn)v為電流信號包絡線穩(wěn)態(tài)值，由此可得換能器電流信號超調量σ為式（1）所示。

圖8 換能器在諧振及非諧振激勵時電流響應信號包絡線

4 結束語

本文基于LabView虛擬儀器技術平臺開發(fā)了高頻壓電超聲換能器多路動態(tài)信號采集系統(tǒng)，搭建了高頻壓電超聲換能器多路動態(tài)信號監(jiān)測平臺，很好地實現(xiàn)了換能器激勵信號輸出以及多路動態(tài)信號采集的同步進行以及大量數據的高速存儲功能，同時實現(xiàn)了掃頻功能，能夠同時得到換能器在多種頻率下的動態(tài)響應過程，大大節(jié)省了實驗花費的時間，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可行性、準確性及快速性，保證了在換能器工作時能夠捕捉到其完整的動態(tài)響應過程。最后利用Matlab分析采集的換能器動態(tài)響應信號，并通過提取其包絡線，得到換能器動態(tài)響應信號各性能評價指標。