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基于数字正交的压电材料参数测试系统研究

邵坤  
【摘要】:现代压电材料的应用越来越广泛,主要包括利用正压电效应的压电换能器与利用逆压电效应的压电驱动器等,压电材料应用领域的不断扩大必然要求对包括谐振频率、阻抗、机械品质系数和机电耦合系数等常用压电参数更为准确的测量。传统的压电测试方法的主要设计思路是将压电测试样品加入测量回路中,通过调整信号源的频率,从测量回路中元件电压和电流来计算各压电参数。目前压电测试技术已经从传输线法和IRE标准法等传统方法发展到矢量阻抗法。测量精度的不断提高对测试环境的要求也更加严格,现在的高精度测试系统中都要求信号源是低失真度的正弦波信号,但是由于输出高频低失真度的正弦波激励信号对测试信号源要求非常高,从而限制了压电测试的精度与范围。 针对以上问题,本文将数字正交采样的方法引用到压电测试中。对压电参数的测试方法、正交采样的理论两方面进行了研究,完成系统结构设计并给出了相应的软硬件实现方式。系统以DSP芯片TMS320F2812为核心,使用晶振和计数器82C54为信号源,软件控制自动选择参考量程,由高精度的采样芯片AD7654采样样品和量程电阻两端的电压信号,然后将采样得离散数字信号经过数字滤波正交采样算法得到同向序列与正交序列,从而计算压电材料的阻抗,并通过阻抗随频率变化的趋势来确定谐振频率,通过外部电桥来测量自由电容,最后计算出机械品质因数和机电耦合系数等压电参数,并对测试结果进行了误差分析。 测试结果表明,这种方法能够测量谐振频率与机械品质因数等大部分压电参数,谐振频率测量误差在1%以内,其他压电参数测量误差在8.5%以内,并且能够在一定范围内准确的记录材料的阻抗变化趋势,测试精度较以前的测试方法有了进一步提高。


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