鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷自動測試系統(tǒng)

黎水平，王志超，鄧 基

（武漢理工大學 機電工程學院，武漢 430070）

壓電陶瓷是具有壓電特性的功能陶瓷材料，由鐵電多晶體極化處理后制成，是一種重要的電子陶瓷[1]。由于鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷具有出色的壓電性和介電性，而且易于制成各種形狀和尺寸，因此其應(yīng)用眾多，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、交通、通信等領(lǐng)域[2]。PZT壓電陶瓷的特性參數(shù)受生產(chǎn)制備過程各因素影響較大[3]，同時PZT壓電器件的性能主要由其中的PZT壓電陶瓷元件決定，因此對PZT壓電陶瓷的測試在其實際生產(chǎn)、理論研究及應(yīng)用開發(fā)中都具有較大意義。

目前，針對PZT壓電陶瓷的測試方法主要有2種：傳輸線法和導(dǎo)納圓法。傳統(tǒng)的PZT壓電陶瓷的測試系統(tǒng)主要是采用傳輸線法[4]，利用信號發(fā)生器、頻率計等組成測試系統(tǒng)進行測試，但這種測試系統(tǒng)不僅需要手工調(diào)節(jié)測試信號，而且數(shù)據(jù)保存和處理等難以自動實現(xiàn)，自動化程度較低，測試時間較長，與其他系統(tǒng)兼容性也較差[5]。目前采用的導(dǎo)納圓法[6-8]的測試系統(tǒng)，一般使用如安捷倫4294阻抗測量儀等通用阻抗分析儀構(gòu)建，其測量范圍廣，精度高，但是整套系統(tǒng)體積大，而且價格昂貴。對此，文中設(shè)計了一套基于導(dǎo)納圓法的自動測試系統(tǒng)，并通過試驗進行驗證。

1 PZT壓電陶瓷測試原理

PZT壓電陶瓷具有一定的機電轉(zhuǎn)換能力，因此，在研究壓電陶瓷時，常采用機電類比的方法，用相應(yīng)的等效電路來作為壓電陶瓷的類比模型，以表示其在諧振點附近的機電特性。PZT壓電陶瓷在諧振頻率附近的等效電路如圖1所示。

圖1 PZT壓電陶瓷的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of PZT piezoelectric ceramic

圖中，R0為靜態(tài)電阻；C0為靜態(tài)電容；L1為動態(tài)電感；L1為動態(tài)電容；R1為動態(tài)電阻。等效電路的總導(dǎo)納Ytot由動態(tài)電路導(dǎo)納Yd，靜態(tài)支路導(dǎo)納Yq與靜態(tài)電阻支路導(dǎo)納YR0三者組成，即

式中：gd為動態(tài)支路的電導(dǎo)；bd為動態(tài)支路的電納；ω為信號源的角頻率。由等效電路可知：

化簡后可得

在式（1）中，靜態(tài)支路的導(dǎo)納Yq在串聯(lián)諧振頻率fs附近變化量jC0Δω很小，可近似地看作是一個不隨頻率變化的常量，則根據(jù)式 （2）（3）可知，等效電路的總導(dǎo)納Ytot在導(dǎo)納復(fù)平面的軌跡為標準圓，即PZT壓電陶瓷的導(dǎo)納圓，其圓心為半徑為（2R1）-1，如圖2所示。

由導(dǎo)納圓可計算出PZT壓電陶瓷的等效電路參數(shù)和部分特征參數(shù)，所推導(dǎo)的各參數(shù)計算公式為

圖2 PZT壓電陶瓷的導(dǎo)納圓Fig.2 Admittance circle of PZT piezoelectric ceramic

式中：ω1/2為f1/2的角頻率；r為導(dǎo)納圓半徑。

導(dǎo)納圓的測試電路原理如圖3所示，其中信號源為頻率和幅值可調(diào)的交流電壓源。Rs為采樣電阻；為壓電陶瓷上的電壓信號；為采樣電阻上的電壓信號。

圖3 測試電路原理Fig.3 Schematic diagram of test circuit

由該測試電路可測得PZT壓電陶瓷在不同頻率信號源下的導(dǎo)納值。其導(dǎo)納值為

其中

2 測試系統(tǒng)的設(shè)計

整個自動測試系統(tǒng)由導(dǎo)納數(shù)據(jù)檢測板和客戶端軟件平臺兩大部分組成。其中，導(dǎo)納數(shù)據(jù)檢測板是測試過程的執(zhí)行單元，主要生成所需的測試信號，進行數(shù)據(jù)采樣；客戶端軟件平臺是測試過程的管理單元和數(shù)據(jù)處理中心，主要提供面向測試人員的軟件界面平臺，測試人員通過客戶端軟件平臺實現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的控制，并且客戶端軟件平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的處理以及顯示和管理。

自動測試系統(tǒng)的客戶端軟件平臺為PC端的圖形界面程序，導(dǎo)納數(shù)據(jù)檢測板為基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)。在測試過程中，測試人員通過客戶端軟件平臺對測試參數(shù)等進行設(shè)置，客戶端軟件平臺通過向?qū)Ъ{數(shù)據(jù)檢測板發(fā)送控制指令來控制整個測試過程。導(dǎo)納數(shù)據(jù)檢測板根據(jù)客戶端軟件平臺下發(fā)的控制指令執(zhí)行實際的測試，并將測試過程中所得到的采樣數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給客戶端軟件平臺?？蛻舳塑浖脚_對獲得的采樣數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理以得到壓電陶瓷的導(dǎo)納圓圖，并根據(jù)導(dǎo)納圓圖計算出測試結(jié)果，同時客戶端軟件平臺將對各項測試數(shù)據(jù)進行存儲、管理并顯示所需的數(shù)據(jù)。

2.1 導(dǎo)納數(shù)據(jù)檢測板

導(dǎo)納數(shù)據(jù)檢測板是基于STM32微控制器的嵌入式系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 導(dǎo)納數(shù)據(jù)檢測板總體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of the admittance data detection board

導(dǎo)納數(shù)據(jù)檢測板（簡稱檢測板）由多個模塊組成，各模塊及其功能如下：

1）測試信號生成模塊 根據(jù)外部的控制量生成原始測試信號，即所需頻率的正弦波交流信號。測試信號生成模塊，采用AD公司的DDS芯片AD9852實現(xiàn)信號的生成。

2）測試信號濾波模塊 對原始測試信號中的雜波和諧波進行濾除。測試信號濾波模塊的類型為分立元件組成的五階巴特沃斯低通濾波器。

3）測試信號功率放大模塊 測試信號功率放大模塊的電路選擇2級放大的形式。前級放大電路選用具有較高共模抑制比的三運放高共模抑制比放大電路，進行電壓放大；后級放大電路使用TI公司的高速電流緩沖器BUF634，對信號的功率進行放大。

4）被檢信號采樣模塊 對2路被檢信號進行調(diào)理，使其幅值和信號類型等處于可檢范圍，并對調(diào)理后的被檢信號進行采樣。被檢信號采樣模塊使用A/D轉(zhuǎn)換器AD7352構(gòu)建，同時為了使得測試信號的電壓幅值、信號類型處于AD7352的可采樣范圍內(nèi)，在采樣前還需要對信號進行調(diào)理，對被檢信號的調(diào)理主要包括：對被檢信號進行電壓衰減使其處于AD7352可采樣的電壓范圍；對被檢信號進行直流耦合，使其由交流信號變?yōu)閱螛O性信號；將單端被檢信號轉(zhuǎn)換為差分信號。

檢測板主要由客戶端軟件平臺來控制，軟件平臺通過通信電路將控制指令發(fā)送至檢測板，檢測板的主控制器根據(jù)接收到的控制指令生成相應(yīng)的控制量，從而控制測試信號生成模塊生成原始測試信號，原始測試信號經(jīng)調(diào)理后，驅(qū)動PZT壓電陶瓷振動。之后被檢信號采樣模塊對PZT壓電陶瓷和采樣電阻上的2路被檢信號進行調(diào)理，并周期性地同步采樣電壓值。主控制器接收采樣數(shù)據(jù)，并將采樣數(shù)據(jù)打包后發(fā)送至軟件平臺，由軟件平臺負責處理。

2.2 客戶端軟件平臺

自動測試系統(tǒng)的客戶端軟件平臺，主要是Windows系統(tǒng)中基于Qt5.7和SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的圖形界面程序，其功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 客戶端軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.5 Client software functional structure

（1）數(shù)據(jù)通信功能

軟件平臺需要與檢測板進行通信，軟件平臺將根據(jù)用戶設(shè)定的測試參數(shù)生成控制指令，并以指令幀的形式下發(fā)至檢測板，同時能夠接收檢測板上傳的數(shù)據(jù)。

（2）測試數(shù)據(jù)管理功能

軟件平臺應(yīng)能夠存儲并管理每次測試的基本信息，同時能存儲和管理一系列測試數(shù)據(jù)。

（3）測試數(shù)據(jù)顯示功能

數(shù)據(jù)顯示功能主要用于將采樣數(shù)據(jù)、導(dǎo)納數(shù)據(jù)、擬合的導(dǎo)納圓曲線和測試結(jié)果等直觀地顯示在軟件界面上。

（4）測試數(shù)據(jù)處理功能

數(shù)據(jù)處理功能負責對接收到的采樣數(shù)據(jù)進行處理以得到導(dǎo)納點，同時對所得到的大量導(dǎo)納點進行導(dǎo)納圓擬合以得到導(dǎo)納圓。

（5）輔助功能

主要用于實現(xiàn)通信參數(shù)設(shè)置、測試參數(shù)設(shè)置、顯示自動測試系統(tǒng)的狀態(tài)、提供歷史數(shù)據(jù)查詢和用戶管理等功能。

軟件總體流程如圖6所示。當啟動軟件平臺時，軟件平臺首先進行初始化，包括界面的初始化、建立數(shù)據(jù)庫連接、建立各Qt控件對象間信號與槽的關(guān)聯(lián)等。初始化完成后，用戶可以在界面上進行通信參數(shù)、測試參數(shù)等設(shè)置，用戶設(shè)置完成后軟件平臺將等待用戶啟動測試。

圖6 客戶端軟件平臺總體流程Fig.6 Overall flow chart of the client software platform

一旦用戶啟動測試，軟件平臺將主動向檢測板發(fā)起通信請求，并控制檢測板執(zhí)行完整的測試過程，同時接收檢測板上傳的數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)將被保存在數(shù)據(jù)庫中。測試完畢后，軟件平臺將對所接收到的全部數(shù)據(jù)進行處理，計算出各頻率下的導(dǎo)納點，并根據(jù)導(dǎo)納點進行導(dǎo)納圓擬合，最終根據(jù)導(dǎo)納圓計算得到PZT壓電陶瓷的特征參數(shù)，這些數(shù)據(jù)也都將被保存在數(shù)據(jù)庫中。當所有數(shù)據(jù)都處理完成后，軟件平臺將把相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)顯示在軟件平臺界面上。所實現(xiàn)的客戶端軟件主界面如圖7所示。

圖7 客戶端軟件平臺界面Fig.7 Client software platform interface

3 試驗測試與分析

為驗證所設(shè)計的自動測試系統(tǒng)的有效性和工作性能，搭建了實驗平臺。該平臺由導(dǎo)納數(shù)據(jù)檢測板、PC以及示波器3部分組成。

使用該實驗平臺對2個標號的不同PZT壓電陶瓷試樣進行測試，并使用安捷倫4294A阻抗分析儀對同樣的試樣進行測試，將測試結(jié)果進行了對比。對各試樣進行測試所得到的導(dǎo)納圓如圖8所示。試樣A和B的測試結(jié)果見表1。

圖8 試樣測試導(dǎo)納圓Fig.8 Sample test admittance circle

由表可知，所設(shè)計的自動測試系統(tǒng)在測量諧振頻率和反諧振頻率時結(jié)果比較準確，2次測試的諧振頻率最大相對誤差為0.88%，反諧振頻率最大相對誤差為1.12%，說明該系統(tǒng)在測試諧振頻率和反諧振頻率時具有較高精度。對于其余參數(shù)，該系統(tǒng)在測試試樣A時，除靜態(tài)電阻外，試樣B的各項測試結(jié)果相對誤差均低于15%；而試樣B除動態(tài)電容外，各項結(jié)果相對誤差均低于10%。

表1 試樣A和B的測試結(jié)果Tab.1 Test results of sample A and B

通過結(jié)果分析可知，該套系統(tǒng)與阻抗分析儀相比較，在測試精度上尚存在一定差距，但總體仍具有一定的精度，能夠得到較為準確的測試結(jié)果。

4 結(jié)語

所設(shè)計的自動測試系統(tǒng)可用于測試PZT壓電陶瓷，還可用于測試PZT壓電陶瓷的部分應(yīng)用器件，對于其它種類壓電陶瓷的測試也具有一定的實用性和借鑒性。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化測試，可測參數(shù)較多，測試時間較短，在測量諧振頻率和反諧振頻率時本系統(tǒng)具有較高的精度，且體積小、成本低，可以用于替代相應(yīng)場合中的阻抗分析儀。