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(guò)程中，需要對(duì)壓電換能器的壓電特性參數(shù)進(jìn)行多次測(cè)量并記錄關(guān)鍵參數(shù)，一般采用LCR 測(cè)試儀對(duì)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(jìn)行測(cè)量，可完成單點(diǎn)測(cè)量與掃頻測(cè)量。單點(diǎn)測(cè)量得到的參數(shù)有限，不能完成測(cè)量任務(wù)；掃頻測(cè)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(cè)試人員不能直接判斷壓電換能器是否合格。且對(duì)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(xiě)上位機(jī)軟件對(duì)壓電換能器的壓電特性進(jìn)行測(cè)試分析。Matlab 為GUI 開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)方便高效的集成開(kāi)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(xiě)了壓電換能器測(cè)試分析系統(tǒng)。

1 壓電參數(shù)的計(jì)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(chǎng)，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(chǎng)的頻率與壓電換能器的固有頻率一致時(shí), 壓電體就進(jìn)入了穩(wěn)定的機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)[1]。當(dāng)只在壓電陶瓷片上施加直流電壓V 時(shí)，它的自由端面會(huì)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(gè)純電容。當(dāng)壓電換能器振動(dòng)輻射能量時(shí)，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(dòng)，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(dòng)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(jī)械品質(zhì)因數(shù)較高時(shí)，當(dāng)壓電換能器在某一共振頻率附近振動(dòng)，L、R、C 基本為常數(shù)，設(shè)為L(zhǎng)1、R1、C1。等效電路如圖1 所示，圖中，C0為壓電換能器靜態(tài)時(shí)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(cè)試儀器對(duì)自由電容CT（1 kHz 頻率下測(cè)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(diǎn)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(jī)械品質(zhì)因素Qm，以及L1、R1、C1、C0等參數(shù)中的某幾項(xiàng)進(jìn)行判斷是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。各個(gè)參數(shù)的具體計(jì)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(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

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

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(duì)串口通信的支持。Matlab 通過(guò)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(duì)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(cè)試儀與上位機(jī)連接，可通過(guò)串口線或USB 線連接。當(dāng)采用USB通訊時(shí)，需安裝儀器廠家提供的USB驅(qū)動(dòng)。完成安裝后，上位機(jī)將儀器作為串口設(shè)備，儀器與上位機(jī)的通訊命令與串口通訊命令一致。需要指出的是，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)Matlab 與阻抗測(cè)試儀的串口通訊，分別需要建立串口對(duì)象、設(shè)置串口通訊屬性、打開(kāi)串口、讀寫(xiě)操作、關(guān)閉串口，部分命令語(yǔ)言如下：

2.3 儀器的參數(shù)設(shè)置及測(cè)試結(jié)果獲取

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

2.4 Matlab GUI 設(shè)計(jì)

基于Matlab 設(shè)計(jì)的壓電換能器自動(dòng)測(cè)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(jì)算得到測(cè)試要求的參數(shù)并自動(dòng)判斷是否符合要求，根據(jù)要求選擇報(bào)表所需參數(shù)并進(jìn)行保存。基于此設(shè)計(jì)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(gè)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(kāi)、常用型號(hào)參數(shù)的設(shè)置、圖形文件的保存、軟件說(shuō)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(hào)、掃描點(diǎn)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(chǔ)的測(cè)試參數(shù)；區(qū)域5 為參數(shù)結(jié)果，用來(lái)顯示測(cè)試參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算值；區(qū)域6 為測(cè)量區(qū)，可選擇產(chǎn)品型號(hào)并啟動(dòng)測(cè)量，其中不同型號(hào)記錄了不同產(chǎn)品的測(cè)量設(shè)置，可避免每次測(cè)量都需重新輸入所有產(chǎn)品測(cè)試參數(shù)的問(wèn)題。

2.5 軟件的使用

測(cè)試壓電換能器的壓電特性時(shí)，首先在圖3 軟件界面的區(qū)域1 設(shè)置存儲(chǔ)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(hào)、掃描點(diǎn)數(shù)等參數(shù)；區(qū)域4 中設(shè)置需要輸出的測(cè)試參數(shù)。設(shè)置完成后點(diǎn)擊區(qū)域6 中的掃頻測(cè)量按鈕，軟件可完成規(guī)定參數(shù)的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖4 所示。

圖3 軟件界面

圖4 測(cè)量結(jié)果圖

3 總結(jié)

本文主要實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)控制LCR 測(cè)試儀、對(duì)壓電換能器的阻抗特性參數(shù)進(jìn)行采集并自動(dòng)計(jì)算與分析。系統(tǒng)軟件界面能實(shí)時(shí)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(cè)試人員的專業(yè)要求，為測(cè)試人員提供了更便捷的測(cè)試方式、更直觀的測(cè)試結(jié)果。本文擴(kuò)展了Matlab 在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍，對(duì)基于Matlab 的測(cè)試儀器的通訊與控制，具有實(shí)用的借鑒意義。