2021年第1期声学与电子工程总第141期
基于Ma t l a b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 )
摘要压电换能器性能的优劣可通过其阻抗特性参数评价。为了图形化显示阻抗特性曲线并自动判断换能 器性能，文章介绍了压电换能器等效电路的转换、阻抗特性参数的计算方法及基于Matlab的换能器测试软件 的编写方法。实现了测试过程的上位机控制，图形化和表格化显示压电换能器的压电参数等，对于换能器性
能的自动化检测有一定借鉴意义。
关键词压电换能器；阻抗；测试系统
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L
C R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G U I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m。当只在压电陶瓷片上施加直流电压K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h位移；c与其形变而 产生的弹力F大小关系为F=fcr。由阻抗型力电变换 可得到
F = AV(1)
式中，J为力电转换系数，(A为纵向压
e
电应力常数，S为截面积，e为晶片的厚度），F为 压电陶瓷上所加电压。压电陶瓷片上、下表面的净 电荷为+产生的漏电流为/，振体的震动速度为 d x/d?，则有
I^= A^(2)
d t At
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]:
L^-4-+R^- + ^ = V(t)(3)
d r d t c
H v Hv
+(4)
dt2m dt
将式（1)、（2)带入式（3)、（4)得到L=m/J2、穴=^…,/d2、C二Z2/A:。L、穴、C分别是动态阻抗中的电感、电阻和电容，■^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，i、/?、C基本为常数，设为L,、私、Q。等效电路如 图1所示，图中，CQ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(1kH z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/…、最小阻抗（最大导纳）频率/…、最大阻抗 Z m ax、最小阻抗、电压比串联谐振频率石、并联谐振频率石、电压比t/s/t/p、最大电导G m a x (谐振点的电导比，反映谐振附近电导的起伏)、最 大电纳频率/；、最小电纳频率/2、机械品质因素
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陈卫华等：基于Matlab的压电换能器测试分析系统设计
以及i,、％、q、C〇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[34]:
=丄/C,+C0
27r V A(C,C0)
Cr« C,+ C0
0〜乂
Jl~ J\
式中，X处电导最大，石处电阻最大。(5)
(6)
(7)
(8)按摩靠背
2软件设计率的2倍以上，因此，本套系统采用U SB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：objl = instrfind(Type', 'serial', 'Port', 'COM4', 'Tag',");
if isempty(obj 1)
obj 1= serial('C0M4');
else
fclose(objl);
objl = obj 1(1);
end %建立串口对象
try
fopen(obj 1);
catch
msgboxG机器未连接，请检查仪器是否联通！')；
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（
复合挤塑聚苯板选用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
M a tla b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。M atlab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<。阻抗测试仪与 上位机连接，可通过串口线或U S B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，U SB通讯效率为串口通讯效
return;
end; %打开串口
set(objl, 'Terminator', {'CR'/CR'}); n ia m H tt
...... %读写等相关操作
fclose(objl); %关闭串口
2.3仪器的参数设置及测试结果获取
速冻生胚包子建立串口，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: fprintf(objl,': PARAMETER 1G');
fprintf(objl, ':PARAMETER2 B');
fjjrintf(objl, ':PARAMETER3 OFF');
fprmtf(objl(':PARAMETER4 OFF); %设置测试模式 为GB
fprintfCobjl.'iLEVELrVOLTage 1') % 设置测量电压
fj3rintf(objl,':DCBias OFF'); %设置偏置电压
frel=num2str(500);
fprintf(objl, ['FREQuency ' frel]); %设置测试频率
datal = query(objl，’*TRG;:MEAS?'); %触发测试并获得测试结果
2.4 Matlab GU丨设计
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刷式密封
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陈卫华等：基于Matlab的压电换能器测试分析系统设计
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，其中樱桃采摘机
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
生物质气化燃烧机
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
*子痛署B ft巉B cn rfi 'B l'I W I ilif m x i
fr*ii*：c〇u K效名:♦三
«T7«-M e
tTM-MI
♦TM. M l y%»«.
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TT.29 «.
图4测量结果图
3总结
本文主要实现了上位机控制L C R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。
参考文献：
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