一、簡介

 超聲波換能器頻率阻抗分析儀是由杭州谷邦超聲科技有限公司研制開發(fā)的，主要用于壓電器件和設(shè)備的檢測，是對壓電器件和設(shè)備進(jìn)行測量和分析的綜合性解決方案，可以既快又方便地評估和測試壓電器件的參數(shù)特性。

    換能器特性分析儀是根據(jù)超聲設(shè)備生產(chǎn)過程中一些無法直觀看到的，但對產(chǎn)品質(zhì)量卻有重要影響的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行測量的一種可取代進(jìn)口儀器的一種設(shè)備。他的特點(diǎn)是：易用、指標(biāo)和圖形相結(jié)合、參數(shù)準(zhǔn)確、價(jià)格低廉、對生產(chǎn)的可指導(dǎo)性非常強(qiáng)等。

換能器特性分析儀主要適用對象為各類超聲器件換能器特性特性的測量，包括：壓電陶瓷、換能器、超聲清洗機(jī)、超聲塑焊機(jī)、水聲、磁致伸縮材料、超聲粉碎機(jī)、超聲霧化、*、倒車?yán)走_(dá)、超聲測距、超聲乳化、超聲除垢、超聲馬達(dá)、超聲波流量計(jì)等等所有使用超聲的設(shè)備。

對壓電器件的進(jìn)行換能器特性測量是正確使用器件的前提條件。對于壓電器件，通過換能器特性分析儀可以得到其主要參數(shù)，包括：諧振頻率Fs、反諧振頻率Fp、半功率點(diǎn)F1 與 F2、大導(dǎo)納Gmax、靜電容C0、動(dòng)態(tài)電抗R1、動(dòng)態(tài)電容C1、動(dòng)態(tài)電感L1、自由電容CT、自由介電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因素Qm、機(jī)電耦合系數(shù)Keff、Kp、K31、K33 等，并可以繪制壓電器件的五種特性曲線（導(dǎo)納特性圖、換能器特性特性圖、導(dǎo)納極坐標(biāo)圖、換能器特性極坐標(biāo)圖、對數(shù)坐標(biāo)圖）。

二、產(chǎn)品介紹

超聲波換能器頻率阻抗分析儀外觀圖（平板電腦為非產(chǎn)品標(biāo)配）：

計(jì)算機(jī)操作界面圖：

三．換能器特性分析儀傳統(tǒng)測量方法對比

    換能器特性分析儀應(yīng)用于超聲工業(yè)，是為了替代傳統(tǒng)的、落后的傳輸線測量方法，傳輸線法就是使用信號發(fā)生器、頻率計(jì)、毫伏表等工具，進(jìn)行手動(dòng)測量的方法。

傳統(tǒng)的傳輸線測量方法與換能器特性分析儀相比，是一種極為落后的生產(chǎn)方法，我們可以做個(gè)對比：

四. 測量圖形與參數(shù)簡介

換能器特性分析儀可以測量以下參數(shù)：

1） 諧振頻率 Fs：壓電振子等效電路中串聯(lián)支路的諧振頻率，在這個(gè)頻率下，壓電振子的換能器特性小。如下圖標(biāo)為“Fs”處的頻率值。

2）大電導(dǎo)Gmax：壓電振子諧振時(shí)的導(dǎo)納值的實(shí)部，即“Fs”處的導(dǎo)納實(shí)部。

       導(dǎo)納原圖                            對數(shù)坐標(biāo)圖                     等效電路圖

3）半功率點(diǎn)F₁ 與F₂： 從導(dǎo)納圓上看，導(dǎo)納實(shí)部等于 Gmax／2 處的頻率，這樣的頻率有兩個(gè)，大于Fs 的為F₂，小于Fs 的為F₁，如圖上標(biāo)為“F₁”和“F₂”處的頻率值。

4）反諧振頻率Fp：壓電振子并聯(lián)支路的諧振頻率，在這個(gè)頻率下，壓電振子的換能器特性大。如圖上標(biāo)為“Fp”處的頻率值。

5）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm：計(jì)算公式為，其中Fs 為諧振頻率，F(xiàn)₁、F₂ 為半功率點(diǎn)?；蛘?/span>，其中R₁ 為動(dòng)態(tài)電阻，L₁ 為動(dòng)態(tài)電感，C₁為動(dòng)態(tài)電容。這兩個(gè)公式計(jì)算結(jié)果*相同。

6）自由電容C_T： 壓電器件在 1kHz 頻率下的電容值。此值和數(shù)字電橋測得的值是一致的。

7）動(dòng)態(tài)電阻R₁：即為圖中壓電振子串聯(lián)支路的電阻。計(jì)算公式為：R₁＝1/Gmax，其中Gmax 為大導(dǎo)納。

8）動(dòng)態(tài)電感L₁：即為圖中壓電振子串聯(lián)支路的電感。計(jì)算公式為：，其中R1 為動(dòng)態(tài)電阻，F(xiàn)₁、F₂ 為半功率點(diǎn)。

9）動(dòng)態(tài)電容C₁：即為圖中壓電振子串聯(lián)支路的電容。計(jì)算公式為：，其中Fs 為諧振頻率，L₁ 為動(dòng)態(tài)電感。

10）靜態(tài)電容C₀：計(jì)算公式為C₀＝C_T－C₁，其中C_T 為自由電容，C₁ 為動(dòng)態(tài)電容。

注：靜態(tài)電容也可以根據(jù)導(dǎo)納圓圓心和電導(dǎo)軸（G 軸）的偏移距離來計(jì)算。但是在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用公式C₀＝C_T－C₁，因此這里也采用

C₀＝C_TC₁作為靜電容的計(jì)算公式。

11）有效機(jī)電耦合系數(shù)Keff：Keff 定義為無負(fù)載的壓電振子在機(jī)械諧振時(shí)，貯存的機(jī)械能與貯存的全部能量比值的平方根。其計(jì)算公式為：

12）平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp：這個(gè)參數(shù)僅用于壓電陶瓷片，它反映的是薄圓片沿厚度方向極化和電激勵(lì)，作徑向伸縮振動(dòng)時(shí)，有關(guān)其機(jī)電耦合效應(yīng)的參數(shù)。計(jì)算公式可以在軟件中選擇。

13）自由介電常數(shù)：這個(gè)參數(shù)僅適用于壓電陶瓷片，計(jì)算公式為；，其中C_T 為自由電容，單位是pF；t 為薄圓片厚度，單位是cm；D 為薄圓片直徑，單位是cm。換能器特性分析儀可以提供以下坐標(biāo)特性圖：

1）導(dǎo)納坐標(biāo)系GBF 坐標(biāo)曲線：

左邊曲線：橫坐標(biāo)——導(dǎo)納實(shí)部 G、縱坐標(biāo)——導(dǎo)納虛部B

右邊曲線：紅色——導(dǎo)納實(shí)部G、藍(lán)色——導(dǎo)納虛部B、縱坐標(biāo)——頻率

2）換能器特性坐標(biāo)系RXF 坐標(biāo)曲線：

左邊曲線：橫坐標(biāo)——換能器特性實(shí)部 R、縱坐標(biāo)——換能器特性虛部X

右邊曲線：紅色——換能器特性實(shí)部R、藍(lán)色——換能器特性虛部X、縱坐標(biāo)——頻率

3）換能器特性極坐標(biāo)系ZθF 坐標(biāo)曲線：

紅色——換能器特性模|Z|、藍(lán)色——換能器特性相位、縱坐標(biāo)——頻率

4）導(dǎo)納極坐標(biāo)系YθF 坐標(biāo)曲線：

紅色——導(dǎo)納模|Y|、藍(lán)色——導(dǎo)納相位、縱坐標(biāo)——頻率

5）對數(shù)坐標(biāo)系：

左邊曲線：橫坐標(biāo)——導(dǎo)納實(shí)部 G、縱坐標(biāo)——導(dǎo)納虛部B

右邊曲線：紅色——換能器特性模的對數(shù)Lg|Z|、藍(lán)色——換能器特性相位、縱坐標(biāo)——頻率

五. 換能器特性分析儀如何指導(dǎo)生產(chǎn)？

    通常來講，評定一個(gè)振子或振動(dòng)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，需要從參數(shù)和導(dǎo)納曲線圖兩方面進(jìn)行分析。

    具體到不同功能用途的超聲波器件，其測試方法及判斷標(biāo)準(zhǔn)又有所不同。比如：功率*、收發(fā)一體式檢測超聲、收發(fā)分開式檢測超聲、壓電陶瓷，他們的測試判別方法及標(biāo)準(zhǔn)往往*不同。

產(chǎn)品應(yīng)用情況

    2003 年廈門召開的中國聲學(xué)學(xué)會(huì)功率超聲分會(huì)上，清華大學(xué)自動(dòng)化系推出“壓電換能器特性分析系統(tǒng)”，至今已經(jīng)有包括大學(xué)、研究所和生產(chǎn)企業(yè)在內(nèi)的200 多家用戶使用本換能器特性分析儀產(chǎn)品，其中包括中國臺(tái)灣、香港、德國的企業(yè)。

    在這次會(huì)議上，經(jīng)中國聲學(xué)學(xué)會(huì)功率超聲會(huì)議學(xué)術(shù)委員會(huì)評審，本換能器特性分析儀的相關(guān)論文《壓電換能器特性分析系統(tǒng)的研制與應(yīng)用》被評為優(yōu)秀論文。

    換能器特性分析儀可以運(yùn)用于很多需要用到超聲波的行業(yè)：超聲塑焊機(jī)、超聲清洗機(jī)、*生產(chǎn)、超聲電加工、水聲、超聲傳感器、壓電陶瓷生產(chǎn)、倒車?yán)走_(dá)、各類科研超聲、*、超聲變幅桿生產(chǎn)、超聲焊頭設(shè)計(jì)、超聲攪拌、超聲乳化等等所有需要用到超聲波的行業(yè)。

使用換能器特性分析儀可以給公司帶來很多方面的效益，例如：

1）．明顯提高產(chǎn)品品質(zhì)，因?yàn)閾Q能器特性分析儀的圖形能否發(fā)現(xiàn)超聲器件內(nèi)部不很明顯的缺陷，可以用于公司的來料檢測、生產(chǎn)指導(dǎo)。

2）．測量速度快，如需測量大量的器件，可以*地減少人力成本。

3）．公司的生產(chǎn)過程很容易進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，公司的技術(shù)也更穩(wěn)定。

換能器特性分析儀與進(jìn)口的換能器特性分析儀相比有什么區(qū)

別

    進(jìn)口的換能器特性分析儀 Agilent4294 的價(jià)格在35 萬人民幣左右，高昂的價(jià)格限制了它在國內(nèi)工業(yè)界的應(yīng)用，國內(nèi)僅有很少的企業(yè)和研究所擁有進(jìn)口設(shè)備。

與安捷倫 4294A 相比，我們有很多方面的優(yōu)勢。除了成本之外，還有專門針對超聲應(yīng)用設(shè)計(jì)的軟件，使其在應(yīng)用中比進(jìn)口儀器方便、簡單，不需要專業(yè)人員操作，可以計(jì)算更多的參數(shù)。

國內(nèi)許多生產(chǎn)廠用我們的產(chǎn)品取代安捷倫 4294A，包括中科院聲學(xué)所，清華大學(xué)、杭州瑞利超聲、番禺奧迪威，它們的檢測指標(biāo)*相同，而且還具有成本低、操作簡便，軟件界面友好等特點(diǎn)。

十．產(chǎn)品在使用上對工人有沒有什么要求？

對工人的素質(zhì)幾乎沒有要求，軟件采用了簡潔式的設(shè)計(jì)，只需要按一個(gè)鍵就可以得到結(jié)果。

用戶可以存貯、打印任何圖形，還可以將參數(shù)保存為計(jì)算機(jī)Excel 表格，*地提高了用戶使用方便程度，用戶還可以自己定制合格條件，軟件可以自動(dòng)判斷合格。