基于Matlab 的压电换能器测试分析系统设计

陈卫华 杨茂祥

（第七一五研究所，杭州，310023）

在声呐设备生产过程中，需要对压电换能器的压电特性参数进行多次测量并记录关键参数，一般采用LCR 测试仪对压电换能器的压电特性参数如电阻、电抗、电导、电纳等参数进行测量，可完成单点测量与扫频测量。单点测量得到的参数有限，不能完成测量任务；扫频测量可得到部分参数的频率特性，但有些参数不能获取，且参数不直观，测试人员不能直接判断压电换能器是否合格。且对于不同产品，需判定的参数也不完全一致，因此需要编写上位机软件对压电换能器的压电特性进行测试分析。Matlab 为GUI 开发提供了一个方便高效的集成开发环境，如界面的外观、属性和回调函数等。因此，本文基于Matlab 编写了压电换能器测试分析系统。

1 压电参数的计算

1.1 等效电路

在压电换能器的压电陶瓷上施加交变电场，由于逆压电效应，压电体上可产生各种模式的弹性形变。当外加电场的频率与压电换能器的固有频率一致时, 压电体就进入了稳定的机械振动状态[1]。当只在压电陶瓷片上施加直流电压V 时，它的自由端面会产生位移，类似于弹簧受力而发生弹性形变。设压电陶瓷片的弹性系数为k，位移x 与其形变而产生的弹力F 大小关系为F=kx。由阻抗型力电变换可得到

压电换能器在忽略漏电流的情况下，其静态等效电路是一个纯电容。当压电换能器振动辐射能量时，由于压电材料存在惯性和弹性及介质的内摩擦和辐射阻，用阻抗型力电类比处理压电换能器的振动，得到电路与力学方程[2]：

将式（1）、（2）带入式（3）、（4）得到L =m /A2、R =Rm/A2、C =A2/k。L、R、C 分别是动态阻抗中的电感、电阻和电容，Rm为压电内摩擦阻抗和辐射阻抗之和。在压电换能器的机械品质因数较高时，当压电换能器在某一共振频率附近振动，L、R、C 基本为常数，设为L1、R1、C1。等效电路如图1 所示，图中，C0为压电换能器静态时等效电容。

图1 等效电路图

1.2 压电换能器的阻抗特性

判断压电换能器性能的好坏，通常需要使用阻抗测试仪器对自由电容CT（1 kHz 频率下测量的并联电容值）、介电损耗TanD、最大阻抗（最小导纳）频率fm、最小阻抗（最大导纳）频率fn、最大阻抗Zmax、最小阻抗Zmin、电压比Um/Un、串联谐振频率fs、并联谐振频率fp、电压比Us/Up、最大电导Gmax（谐振点的电导比，反映谐振附近电导的起伏）、最大电纳频率f1、最小电纳频率f2、机械品质因素Qm，以及L1、R1、C1、C0等参数中的某几项进行判断是否在设计范围内。各个参数的具体计算方式[3-4]：

式中，fs处电导最大，fp处电阻最大。

2 软件设计

2.1 总体设计

基于Matlab 的压电换能器测试分析系统的总体设计如图2 所示。系统主要采用了标准阻抗测试仪器（选用IM3536 型号的阻抗测试仪）对压电换能器进行阻抗测试；通过通讯线将上位机与阻抗测试仪相连接进行通讯；通过Matlab GUI 进行人机界面设计、通讯数据命令的首发与测试数据的分析处理。

图2 系统总体设计

2.2 Matlab 与仪器的通讯

Matlab 中的设备控制工具箱（Instrument Control Toolbox）模块提供了对串口通信的支持。Matlab 通过调用设备控制工具箱的serial 类以及其他相关函数，定义串口对象的属性从而定义串口的通信模式，并得到串口的状态[5-6]。阻抗测试仪与上位机连接，可通过串口线或USB 线连接。当采用USB通讯时，需安装仪器厂家提供的USB驱动。完成安装后，上位机将仪器作为串口设备，仪器与上位机的通讯命令与串口通讯命令一致。需要指出的是，通过实验验证，USB 通讯效率为串口通讯效率的2 倍以上，因此，本套系统采用USB 通讯。

为了实现Matlab 与阻抗测试仪的串口通讯，分别需要建立串口对象、设置串口通讯属性、打开串口、读写操作、关闭串口，部分命令语言如下：

2.3 仪器的参数设置及测试结果获取

建立串口，进行相关串口设置并打开后，需要根据测试需求，对仪器的相关参数进行设置后触发测试并获取测试结果。本系统中，需要对测试的模式、测试电压、偏置电压及测试频率等进行设置，然后触发测试并读取测试结果，部分命令语言如下：

2.4 Matlab GUI 设计

基于Matlab 设计的压电换能器自动测量软件，可在界面设置仪器的基本参数，在软件界面显示频率曲线与导纳圆图，计算得到测试要求的参数并自动判断是否符合要求，根据要求选择报表所需参数并进行保存。基于此设计的软件界面如图3 所示。界面最上方为软件的名称与版本信息。界面按照不同功能划分为6 个区域：区域1 为功能区，可完成数据文件的创建与打开、常用型号参数的设置、图形文件的保存、软件说明与退出等功能；区域2 为图形显示区，可显示压电换能器参数的频率特性曲线、导纳圆图等；区域3 为参数设置区，可设置扫频频率、编号、扫描点数等参数；区域4 为输出参数选择区，可选择需要存储的测试参数；区域5 为参数结果，用来显示测试参数的测量与计算值；区域6 为测量区，可选择产品型号并启动测量，其中不同型号记录了不同产品的测量设置，可避免每次测量都需重新输入所有产品测试参数的问题。

2.5 软件的使用

测试压电换能器的压电特性时，首先在图3 软件界面的区域1 设置存储文档；设置完成后在区域3 中设置起始频率、产品编号、扫描点数等参数；区域4 中设置需要输出的测试参数。设置完成后点击区域6 中的扫频测量按钮，软件可完成规定参数的测量。测量结果如图4 所示。

图3 软件界面

图4 测量结果图

3 总结

本文主要实现了上位机控制LCR 测试仪、对压电换能器的阻抗特性参数进行采集并自动计算与分析。系统软件界面能实时显示压电换能器的阻抗曲线并判断其性能优劣，减轻了该工序对测试人员的专业要求，为测试人员提供了更便捷的测试方式、更直观的测试结果。本文扩展了Matlab 在实际生产中的应用范围，对基于Matlab 的测试仪器的通讯与控制，具有实用的借鉴意义。