基于Matlab 的壓電換能器測試分析系統(tǒng)設(shè)計

陳衛(wèi)華 楊茂祥

（第七一五研究所，杭州，310023）

在聲吶設(shè)備生產(chǎn)過程中，需要對壓電換能器的壓電特性參數(shù)進行多次測量并記錄關(guān)鍵參數(shù)，一般采用LCR 測試儀對壓電換能器的壓電特性參數(shù)如電阻、電抗、電導(dǎo)、電納等參數(shù)進行測量，可完成單點測量與掃頻測量。單點測量得到的參數(shù)有限，不能完成測量任務(wù)；掃頻測量可得到部分參數(shù)的頻率特性，但有些參數(shù)不能獲取，且參數(shù)不直觀，測試人員不能直接判斷壓電換能器是否合格。且對于不同產(chǎn)品，需判定的參數(shù)也不完全一致，因此需要編寫上位機軟件對壓電換能器的壓電特性進行測試分析。Matlab 為GUI 開發(fā)提供了一個方便高效的集成開發(fā)環(huán)境，如界面的外觀、屬性和回調(diào)函數(shù)等。因此，本文基于Matlab 編寫了壓電換能器測試分析系統(tǒng)。

1 壓電參數(shù)的計算

1.1 等效電路

在壓電換能器的壓電陶瓷上施加交變電場，由于逆壓電效應(yīng)，壓電體上可產(chǎn)生各種模式的彈性形變。當(dāng)外加電場的頻率與壓電換能器的固有頻率一致時, 壓電體就進入了穩(wěn)定的機械振動狀態(tài)[1]。當(dāng)只在壓電陶瓷片上施加直流電壓V 時，它的自由端面會產(chǎn)生位移，類似于彈簧受力而發(fā)生彈性形變。設(shè)壓電陶瓷片的彈性系數(shù)為k，位移x 與其形變而產(chǎn)生的彈力F 大小關(guān)系為F=kx。由阻抗型力電變換可得到

壓電換能器在忽略漏電流的情況下，其靜態(tài)等效電路是一個純電容。當(dāng)壓電換能器振動輻射能量時，由于壓電材料存在慣性和彈性及介質(zhì)的內(nèi)摩擦和輻射阻，用阻抗型力電類比處理壓電換能器的振動，得到電路與力學(xué)方程[2]：

將式（1）、（2）帶入式（3）、（4）得到L =m /A2、R =Rm/A2、C =A2/k。L、R、C 分別是動態(tài)阻抗中的電感、電阻和電容，Rm為壓電內(nèi)摩擦阻抗和輻射阻抗之和。在壓電換能器的機械品質(zhì)因數(shù)較高時，當(dāng)壓電換能器在某一共振頻率附近振動，L、R、C 基本為常數(shù)，設(shè)為L1、R1、C1。等效電路如圖1 所示，圖中，C0為壓電換能器靜態(tài)時等效電容。

圖1 等效電路圖

1.2 壓電換能器的阻抗特性

判斷壓電換能器性能的好壞，通常需要使用阻抗測試儀器對自由電容CT（1 kHz 頻率下測量的并聯(lián)電容值）、介電損耗TanD、最大阻抗（最小導(dǎo)納）頻率fm、最小阻抗（最大導(dǎo)納）頻率fn、最大阻抗Zmax、最小阻抗Zmin、電壓比Um/Un、串聯(lián)諧振頻率fs、并聯(lián)諧振頻率fp、電壓比Us/Up、最大電導(dǎo)Gmax（諧振點的電導(dǎo)比，反映諧振附近電導(dǎo)的起伏）、最大電納頻率f1、最小電納頻率f2、機械品質(zhì)因素Qm，以及L1、R1、C1、C0等參數(shù)中的某幾項進行判斷是否在設(shè)計范圍內(nèi)。各個參數(shù)的具體計算方式[3-4]：

式中，fs處電導(dǎo)最大，fp處電阻最大。

2 軟件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

基于Matlab 的壓電換能器測試分析系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖2 所示。系統(tǒng)主要采用了標(biāo)準(zhǔn)阻抗測試儀器（選用IM3536 型號的阻抗測試儀）對壓電換能器進行阻抗測試；通過通訊線將上位機與阻抗測試儀相連接進行通訊；通過Matlab GUI 進行人機界面設(shè)計、通訊數(shù)據(jù)命令的首發(fā)與測試數(shù)據(jù)的分析處理。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.2 Matlab 與儀器的通訊

Matlab 中的設(shè)備控制工具箱（Instrument Control Toolbox）模塊提供了對串口通信的支持。Matlab 通過調(diào)用設(shè)備控制工具箱的serial 類以及其他相關(guān)函數(shù)，定義串口對象的屬性從而定義串口的通信模式，并得到串口的狀態(tài)[5-6]。阻抗測試儀與上位機連接，可通過串口線或USB 線連接。當(dāng)采用USB通訊時，需安裝儀器廠家提供的USB驅(qū)動。完成安裝后，上位機將儀器作為串口設(shè)備，儀器與上位機的通訊命令與串口通訊命令一致。需要指出的是，通過實驗驗證，USB 通訊效率為串口通訊效率的2 倍以上，因此，本套系統(tǒng)采用USB 通訊。

為了實現(xiàn)Matlab 與阻抗測試儀的串口通訊，分別需要建立串口對象、設(shè)置串口通訊屬性、打開串口、讀寫操作、關(guān)閉串口，部分命令語言如下：

2.3 儀器的參數(shù)設(shè)置及測試結(jié)果獲取

建立串口，進行相關(guān)串口設(shè)置并打開后，需要根據(jù)測試需求，對儀器的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置后觸發(fā)測試并獲取測試結(jié)果。本系統(tǒng)中，需要對測試的模式、測試電壓、偏置電壓及測試頻率等進行設(shè)置，然后觸發(fā)測試并讀取測試結(jié)果，部分命令語言如下：

2.4 Matlab GUI 設(shè)計

基于Matlab 設(shè)計的壓電換能器自動測量軟件，可在界面設(shè)置儀器的基本參數(shù)，在軟件界面顯示頻率曲線與導(dǎo)納圓圖，計算得到測試要求的參數(shù)并自動判斷是否符合要求，根據(jù)要求選擇報表所需參數(shù)并進行保存。基于此設(shè)計的軟件界面如圖3 所示。界面最上方為軟件的名稱與版本信息。界面按照不同功能劃分為6 個區(qū)域：區(qū)域1 為功能區(qū)，可完成數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建與打開、常用型號參數(shù)的設(shè)置、圖形文件的保存、軟件說明與退出等功能；區(qū)域2 為圖形顯示區(qū)，可顯示壓電換能器參數(shù)的頻率特性曲線、導(dǎo)納圓圖等；區(qū)域3 為參數(shù)設(shè)置區(qū)，可設(shè)置掃頻頻率、編號、掃描點數(shù)等參數(shù)；區(qū)域4 為輸出參數(shù)選擇區(qū)，可選擇需要存儲的測試參數(shù)；區(qū)域5 為參數(shù)結(jié)果，用來顯示測試參數(shù)的測量與計算值；區(qū)域6 為測量區(qū)，可選擇產(chǎn)品型號并啟動測量，其中不同型號記錄了不同產(chǎn)品的測量設(shè)置，可避免每次測量都需重新輸入所有產(chǎn)品測試參數(shù)的問題。

2.5 軟件的使用

測試壓電換能器的壓電特性時，首先在圖3 軟件界面的區(qū)域1 設(shè)置存儲文檔；設(shè)置完成后在區(qū)域3 中設(shè)置起始頻率、產(chǎn)品編號、掃描點數(shù)等參數(shù)；區(qū)域4 中設(shè)置需要輸出的測試參數(shù)。設(shè)置完成后點擊區(qū)域6 中的掃頻測量按鈕，軟件可完成規(guī)定參數(shù)的測量。測量結(jié)果如圖4 所示。

圖3 軟件界面

圖4 測量結(jié)果圖

3 總結(jié)

本文主要實現(xiàn)了上位機控制LCR 測試儀、對壓電換能器的阻抗特性參數(shù)進行采集并自動計算與分析。系統(tǒng)軟件界面能實時顯示壓電換能器的阻抗曲線并判斷其性能優(yōu)劣，減輕了該工序?qū)y試人員的專業(yè)要求，為測試人員提供了更便捷的測試方式、更直觀的測試結(jié)果。本文擴展了Matlab 在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍，對基于Matlab 的測試儀器的通訊與控制，具有實用的借鑒意義。