專利名稱：一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測試方法，特別是關(guān)于一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法。
背景技術(shù)：
壓電晶片(壓電陶瓷)由于具有較高的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和穩(wěn)定的性能，因此，是現(xiàn)有 技術(shù)中無損檢測超聲探頭和海底聲納等傳感器的核心元件。而研究壓電晶片的振動模態(tài)， 對于選用合適的壓電晶片作為傳感器，具有重要的意義。由于壓電晶片不同的振動模態(tài)具有不同的諧振頻率、位移分布和應(yīng)力分布，因此 研究壓電晶片的振動模態(tài)，必需通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，得到各個(gè)振動模態(tài)的諧振頻率、位移 分布或者應(yīng)力分布。目前實(shí)驗(yàn)研究壓電晶片振動模態(tài)的方法主要有傳輸線路法和光學(xué)方 法。傳輸線路法是通過測試壓電晶片不同頻率下的阻抗，繪制阻抗-頻率(Z-f)曲線，阻抗 取得極小值的頻率便是一個(gè)振動模態(tài)的諧振頻率。傳輸線路法僅從電學(xué)特性表征壓電晶 片，不足以全面認(rèn)識其振動模態(tài)的特性。光學(xué)法可以對壓電晶片的位移振動特性進(jìn)行表征 而受到許多研究人員的關(guān)注。光學(xué)法之一是使用幅度擾動-電子散斑干涉儀(Amplitude FluctuationElectronic Speckle Pattern Interferometry :AF_ESPI),之二是使用激光 多普勒振動計(jì)(Laser Doppler Vibrometer :LDV)，測量處于諧振狀態(tài)的試樣表面各點(diǎn)的離 面微位移，并根據(jù)產(chǎn)生的干涉條紋圖和測得的位移，分析振動模態(tài)。光學(xué)方法測試低頻振動 模態(tài)，非常有效，但是對高頻振動模態(tài)的測試，實(shí)現(xiàn)起來非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可對壓電晶片的高、低頻振動模態(tài)進(jìn)行 測試，并可全面認(rèn)識其振動模態(tài)特性的壓電晶片振動模態(tài)的測試方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法， 其包括以下步驟1)設(shè)置一包括函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、紅外熱像儀和計(jì)算機(jī)的測試裝 置；將壓電晶片試件放置在所述功率放大器的輸出端，將紅外熱像儀正對壓電晶片試件的 一個(gè)側(cè)面，將此側(cè)面作為測量面；2)開啟函數(shù)發(fā)生器，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的頻率f，并通過功 率放大器產(chǎn)生電壓恒定的連續(xù)正弦波，對壓電晶片試件進(jìn)行激勵(lì)，使壓電晶片試件產(chǎn)生振 動；3)用紅外熱像儀對壓電晶片試件的測量面進(jìn)行連續(xù)拍攝，將拍攝得到的紅外圖像進(jìn)行 存儲和數(shù)據(jù)處理后，輸送給計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)顯示不同激勵(lì)頻率下壓電晶片試件振動情 況的紅外圖像；4)根據(jù)顯示的紅外圖像，分別選取在不同激勵(lì)頻率f激勵(lì)下，壓電晶片試 件在同一時(shí)刻后紅外圖像中的最高溫度Ttl，進(jìn)而畫出一條溫度與頻率的Tff關(guān)系曲線，所 述Tff關(guān)系曲線中的每個(gè)溫度峰值對應(yīng)一個(gè)振動模態(tài)，每個(gè)振動模態(tài)所對應(yīng)的頻率便是這 個(gè)振動模態(tài)的諧振頻率；5)選擇步驟4)得到的若干諧振頻率對壓電晶片試件測量面的同 類面以外的其它側(cè)面再次進(jìn)行激勵(lì)并進(jìn)行連續(xù)拍攝，對得到紅外圖像進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)處理 后，輸送給計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)觀測壓電晶片試件的溫度變化，并進(jìn)一步測得壓電晶片試件 各個(gè)振動模態(tài)的分布形態(tài)。
所述步驟2)中作用于壓電晶片試件的激勵(lì)電壓為180 200Vpp。所述步驟4)中，選取在不同激勵(lì)頻率f激勵(lì)下，壓電晶片試件在同一時(shí)刻后紅外 圖像中的最高溫度Ttl，其中，所述同一時(shí)刻的間隔為10秒。所述壓電晶片試件為長方體，所述測量面的同類面以外的其它側(cè)面是指測量面的 左、右相鄰面之一和上、下相鄰面之一。所述壓電晶片試件為圓柱體，所述測量面選擇圓形面，所述測量面的同類面以外 的其它側(cè)面是指測量面以外的任何一個(gè)立面。
所述壓電晶片試件為圓環(huán)體，所述測量面選擇圓環(huán)面，所述測量面的同類面以外 的其它側(cè)面是指測量面以外的任何一個(gè)立面。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于設(shè)置有函數(shù)發(fā)生 器和功率放大器，可以產(chǎn)生電壓恒定的連續(xù)正弦波，電壓恒定的連續(xù)正弦波作用于壓電晶 片試件，因此，可對壓電晶片試件進(jìn)行不同頻率的激勵(lì)。2、本發(fā)明將壓電晶片試件在不同激 勵(lì)頻率下的狀態(tài)通過紅外熱像儀進(jìn)行拍攝，并將拍攝到的紅外圖像傳送給計(jì)算機(jī)，因此，可 以通過計(jì)算機(jī)顯示屏觀察壓電晶片試件在不同激勵(lì)頻率下的紅外圖像，通過紅外圖像得到 壓電晶片的應(yīng)力分布，從而進(jìn)一步得到壓電晶片的振動模態(tài)。本發(fā)明可以測定壓電晶片的 各階諧振頻率，是一種簡單易行、可視直觀的觀測壓電晶片振動模態(tài)的方法，尤其適用于高 頻振動模態(tài)的觀測過程中。


圖1是本發(fā)明測試裝置結(jié)構(gòu)示意2是實(shí)施例所用壓電晶片試樣的結(jié)構(gòu)示意3是實(shí)施例所用壓電晶片試樣表面最高溫度隨激勵(lì)頻率變化的曲線示意4是實(shí)施例所用壓電晶片試件在41. 5KHz諧振頻率下的振動模態(tài)示意5是實(shí)施例所用壓電晶片試件在124KHZ諧振頻率下的振動模態(tài)示意6是實(shí)施例所用壓電晶片試件在137KHZ諧振頻率下的振動模態(tài)示意7是實(shí)施例所用壓電晶片試件在200KHZ諧振頻率下的振動模態(tài)示意8是實(shí)施例所用壓電晶片試件在上述不同諧振頻率下的紅外圖像
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。本發(fā)明基于以下原理當(dāng)一個(gè)壓電晶片受到交變電場的激勵(lì)作用時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生機(jī)械振動。 壓電晶片在振動時(shí)，會發(fā)生電學(xué)量(電場強(qiáng)度和電位移)、力學(xué)量(應(yīng)力和應(yīng)變)以及熱學(xué) 量(溫度和熵)三種能量形式的轉(zhuǎn)化。在不同的頻率下用相同的電壓激勵(lì)壓電晶片，激勵(lì) 頻率與壓電晶片的某一諧振頻率相等時(shí)，壓電晶片便處于諧振狀態(tài)，此時(shí)壓電晶片從激勵(lì) 電路吸收的電能量大，振動應(yīng)力大，溫度高；否則就處在受迫振動狀態(tài)，此時(shí)壓電晶片從激 勵(lì)電路吸收的電能量小，振動應(yīng)力小，溫度低。因此，在不同的頻率下用相同的電壓激勵(lì)壓 電晶片，同時(shí)用紅外熱像儀觀測壓電晶片的溫度變化，可以得到壓電晶片的各個(gè)諧振頻率 和壓電晶片振動的應(yīng)力分布，進(jìn)而得到對應(yīng)的振動模態(tài)。
換言之，可以在不同的頻率下用相同的電壓激勵(lì)壓電晶片，同時(shí)用紅外熱像儀得 到壓電晶片振動的溫度分布；溫度分布形態(tài)的不同對應(yīng)著相應(yīng)的應(yīng)力分布。壓電晶片處于 不同的諧振狀態(tài)，應(yīng)力分布是不同的，且是不均勻分布的，這是該振動模態(tài)的固有特性。拍 攝諧振時(shí)壓電晶片的紅外圖像，這樣的紅外圖像能夠?qū)?yīng)壓電晶片此時(shí)的應(yīng)力分布，從而 進(jìn)一步得到壓電晶片的振動模態(tài)。本發(fā)明包括以下步驟 1)如圖1所示，設(shè)置一用于對壓電晶片進(jìn)行測試的裝置，該裝置包括一函數(shù)發(fā)生 器1，函數(shù)發(fā)生器1的輸出端連接一功率放大器2，功率放大器2的輸出端設(shè)置有一壓電晶 片試件3，正對壓電晶片試件3，設(shè)置一用于對壓電晶片試件3進(jìn)行拍攝的紅外熱像儀4，紅 外熱像儀4的輸出端連接一計(jì)算機(jī)5。2)開啟函數(shù)發(fā)生器1，函數(shù)發(fā)生器1通過功率放大器3產(chǎn)生電壓恒定的連續(xù)正弦 波，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器1的頻率f對壓電晶片試件3進(jìn)行電壓恒定的連續(xù)正弦波的激勵(lì)，使壓 電晶片試件3產(chǎn)生振動。作用于壓電晶片的激勵(lì)電壓一般為180 200Vpp，但不限于此。3)選取壓電晶片試件3的某一側(cè)面作為測量面，用紅外熱像儀4對壓電晶片試件 3的測量面進(jìn)行連續(xù)拍攝，將拍攝到的紅外圖像進(jìn)行存儲和消除噪音等數(shù)據(jù)處理，并將處理 后的紅外圖像傳送給計(jì)算機(jī)5。4)通過計(jì)算機(jī)5的顯示屏觀測不同激勵(lì)頻率下的壓電晶片試件3振動情況的紅外 圖像。紅外圖像即溫度分布圖像，其代表應(yīng)力分布圖像。不同激勵(lì)頻率下所產(chǎn)生的紅外圖 像是不同的，選取在不同激勵(lì)頻率f激勵(lì)下，壓電晶片試件3在同一時(shí)刻后(例如10秒，但 不限于此)紅外圖像中的最高溫度Ttl，畫出Tff關(guān)系曲線。Tff關(guān)系曲線中的每個(gè)溫度峰 值對應(yīng)一個(gè)振動模態(tài)，該振動模態(tài)所對應(yīng)的頻率便是這個(gè)振動模態(tài)的諧振頻率。5)選擇步驟4)中得到的若干諧振頻率對壓電晶片試件3測量面的同類面以外的 其它側(cè)面再次進(jìn)行激勵(lì)并進(jìn)行連續(xù)拍攝，對得到的紅外圖像進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)處理后，輸送 給計(jì)算機(jī)5，通過計(jì)算機(jī)5觀測壓電晶片試件3的溫度變化，并進(jìn)一步測得壓電晶片試件3 各個(gè)振動模態(tài)的分布形態(tài)。上述實(shí)施例中，當(dāng)壓電晶片試件3為長方體時(shí)，壓電晶片試件3測量面的同類面以 外的其它側(cè)面是指測量面的左、右相鄰面之一和上、下相鄰面之一；當(dāng)壓電晶片試件3為圓 柱體時(shí)，如果選擇圓形面作為測量面，測量面的同類面以外的其它側(cè)面是指測量面以外的 任何一個(gè)立面；當(dāng)壓電晶片試件3為圓環(huán)體時(shí)，選擇圓環(huán)面作為測量面，測量面的同類面以 外的其它側(cè)面是指測量面以外的任何一個(gè)立面。下面列舉一具體實(shí)施例如圖2所示，測試一個(gè)PZT-5長方體壓電晶片試件，其尺寸為34mm (長度 L) X 14mm(寬度W) X 5mm(厚度T)。壓電晶片試件厚度方向極化，厚度方向施加激勵(lì)電場。1)設(shè)置采用本發(fā)明方法對壓電晶片試件進(jìn)行測試的裝置。2)開啟函數(shù)發(fā)生器，分別用相同的電壓(180V)、不同的頻率激勵(lì)壓電晶片試樣。3)優(yōu)選長度L與厚度T組成的側(cè)面A作為測量面，在激勵(lì)的同時(shí)用紅外熱像儀連 續(xù)記錄側(cè)面A的溫度變化，即得到側(cè)面A的溫度分布圖，并將紅外圖像傳送給計(jì)算機(jī)。4)取每次激勵(lì)開始之后側(cè)面A經(jīng)過IOs后的紅外圖像，取紅外圖像中的溫度最高 點(diǎn)，記錄此時(shí)的溫度Ttl和頻率值f，畫出溫度-頻率曲線，如圖3所示。圖3中溫度最高點(diǎn)所對應(yīng)的頻率，即是壓電晶片試件的諧振頻率，即得到一個(gè)振動模態(tài)。現(xiàn)將采用本發(fā)明測 得的諧振頻率結(jié)果與用傳輸線路法測得的諧振頻率的結(jié)果進(jìn)行比較，對應(yīng)的頻率值，如表1 所示。表1本發(fā)明方法和傳輸線路法測得的諧振頻率對比 同理可以得到被測壓電晶片試件另外兩個(gè)典型外側(cè)面長度L與寬度W組成的側(cè) 面B和寬度W與厚度T組成的側(cè)面C的紅外圖像。5)選擇步驟4)中得到的若干諧振頻率，再次激勵(lì)壓電晶片試件其他側(cè)面，本實(shí)施 例分別采用四個(gè)諧振頻率41. 5KhzU24KhzU37KHz和200KHz對壓電晶片試件進(jìn)行再激勵(lì)， 該壓電晶片試件在不同諧振頻率下的振動模態(tài)為①如圖4所示，在41. 5Khz的諧振頻率下，可以清楚的發(fā)現(xiàn)，在側(cè)面A的1/2處溫 度變化最快；在側(cè)面B的1/2處溫度變化最快；而在側(cè)面C上溫度均勻變化，且其溫度變化 比在側(cè)面A和側(cè)面B的1/2處溫度變化慢。圖中陰影部分表示溫度變化最快的區(qū)域。②如圖5所示，在124Khz的諧振頻率下，可以清楚的發(fā)現(xiàn)，在側(cè)面A、側(cè)面B和側(cè)面 C上的1/2處溫度變化最快。圖中陰影部分表示溫度變化最快的區(qū)域。③如圖6所示，在137KHZ諧振頻率下，可以清楚的發(fā)現(xiàn)，在側(cè)面A上有三個(gè)區(qū)域的 溫度變化最大，分別是在1/6、1/2和5/6位置處，可以看出137KHz是41. 5KHz的三次諧振 模態(tài)；而在側(cè)面B和側(cè)面C上的1/2處的溫度變化最快。圖中陰影部分表示溫度變化最快 的區(qū)域。④如圖7所示，在200KHZ諧振頻率下，可以清楚的發(fā)現(xiàn)，在側(cè)面A上有五個(gè)區(qū)域的 溫度變化最大，分別是在1/10、3/10、5/10、7/10和9/10位置處，可見200KHz是41. 5KHz的 五次諧振模態(tài)；而其余兩個(gè)側(cè)面的溫度幾乎均勻變化。圖中陰影部分表示溫度變化最快的 區(qū)域。如圖8所示，在上述諧振頻率為41. 5Khz、124Khz、137KHz和200KHz的情況下，對 應(yīng)得到的壓電晶片試件不同側(cè)面的紅外圖像。上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所 變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法，其包括以下步驟1)設(shè)置一包括函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、紅外熱像儀和計(jì)算機(jī)的測試裝置；將壓電晶片試件放置在所述功率放大器的輸出端，將紅外熱像儀正對壓電晶片試件的一個(gè)側(cè)面，將此側(cè)面作為測量面；2)開啟函數(shù)發(fā)生器，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的頻率f，并通過功率放大器產(chǎn)生電壓恒定的連續(xù)正弦波，對壓電晶片試件進(jìn)行激勵(lì)，使壓電晶片試件產(chǎn)生振動；3)用紅外熱像儀對壓電晶片試件的測量面進(jìn)行連續(xù)拍攝，將拍攝得到的紅外圖像進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)處理后，輸送給計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)顯示不同激勵(lì)頻率下壓電晶片試件振動情況的紅外圖像；4)根據(jù)顯示的紅外圖像，分別選取在不同激勵(lì)頻率f激勵(lì)下，壓電晶片試件在同一時(shí)刻后紅外圖像中的最高溫度T0，進(jìn)而畫出一條溫度與頻率的T0-f關(guān)系曲線，所述T0-f關(guān)系曲線中的每個(gè)溫度峰值對應(yīng)一個(gè)振動模態(tài)，每個(gè)振動模態(tài)所對應(yīng)的頻率便是這個(gè)振動模態(tài)的諧振頻率；5)選擇步驟4)得到的若干諧振頻率對壓電晶片試件測量面的同類面以外的其它側(cè)面再次進(jìn)行激勵(lì)并進(jìn)行連續(xù)拍攝，對得到紅外圖像進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)處理后，輸送給計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)觀測壓電晶片試件的溫度變化，并進(jìn)一步測得壓電晶片試件各個(gè)振動模態(tài)的分布形態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法，其特征在于所述步驟2) 中作用于壓電晶片試件的激勵(lì)電壓為180 200Vpp。
3.如權(quán)利要求1所述的一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法，其特征在于所述步驟4) 中，選取在不同激勵(lì)頻率f激勵(lì)下，壓電晶片試件在同一時(shí)刻后紅外圖像中的最高溫度Ttl， 其中，所述同一時(shí)刻的間隔為10秒。
4.如權(quán)利要求2所述的一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法，其特征在于所述步驟4) 中，選取在不同激勵(lì)頻率f激勵(lì)下，壓電晶片試件在同一時(shí)刻后紅外圖像中的最高溫度Ttl， 其中，所述同一時(shí)刻的間隔為10秒。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法，其特征在于 所述壓電晶片試件為長方體，所述測量面的同類面以外的其它側(cè)面是指測量面的左、右相 鄰面之一和上、下相鄰面之一。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法，其特征在于 所述壓電晶片試件為圓柱體，所述測量面選擇圓形面，所述測量面的同類面以外的其它側(cè) 面是指測量面以外的任何一個(gè)立面。
7.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法，其特征在于 所述壓電晶片試件為圓環(huán)體，所述測量面選擇圓環(huán)面，所述測量面的同類面以外的其它側(cè) 面是指測量面以外的任何一個(gè)立面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電晶片振動模態(tài)的測試方法，其包括以下步驟1)設(shè)置一用于對壓電晶片進(jìn)行測試的裝置；2)調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的頻率f對壓電晶片進(jìn)行電壓恒定的連續(xù)正弦波的激勵(lì)，使壓電晶片產(chǎn)生振動；3)選取壓電晶片的某一側(cè)面，用紅外熱像儀對壓電晶片進(jìn)行連續(xù)拍攝，將拍攝到的紅外圖像傳送給計(jì)算機(jī)；4)通過計(jì)算機(jī)觀測壓電晶片振動情況的紅外圖像，選取在不同激勵(lì)頻率f激勵(lì)下，壓電晶片同一時(shí)刻后的最高溫度T0，畫出T0-f關(guān)系曲線，其中每個(gè)溫度峰值對應(yīng)一個(gè)振動模態(tài)，其所對應(yīng)的頻率便是諧振頻率；5)選用步驟4)中得到諧振頻率，再次激勵(lì)壓電晶片，拍攝壓電晶片不同側(cè)面的紅外圖像并加以綜合，觀測壓電晶片的溫度變化，進(jìn)一步測得其各個(gè)諧振模態(tài)的分布形態(tài)。
文檔編號G01H9/00GK101881652SQ20101019932
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者劉暢, 劉芳, 周慶祥, 張雙楠, 張恩勇, 曹靜, 沙勇, 董瑞琪, 蔡桂喜 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心;中國科學(xué)院金屬研究所