阻抗分析仪产品说明书.pdf

压电陶瓷 超声清洗机 超声焊接机 超声传感器 水声传感器 检测仪 阻抗分析仪PV50A PV70A 北京邦联时代电子科技有限公司 Tel 86 10 6255 4218 1 公司简介公司简介 北京邦联时代电子科技有限公司由姚成刚 清华大学自动化系博士 刘致 立 清华大学计算机系博士 肇津法 清华大学电力工程系博士 三人联合创 立的 以高科技开发和研发实业化为基础的高新实业型技术公司 公司聘请清华大学周铁英教授 中国科学院声学所朱厚卿教授 北京大学电 子系栾桂冬教授 张金铎教授为公司技术顾问 该公司目前已开发出取代进口仪器的 应用于工业超声 水声领域的阻抗分 析仪 PV50A PV70A PV70B 获清华大学挑战杯奖 和针对电力系统的远程 测控系统 VO2005 以及工业控制领域的 MS30 等软硬件系统 已在多个工业领域 取得显著的实际应用成果 公司在过去两年里取得了 1 项国家发明专利 2 项实 用新型专利 本公司将本着为客户提供先进 实用的产品 周到的服务为己任 我们的理念 诚实正直 信任 尊重和团队协作 发明和技术创新 快速 创新 服务 团队 分享 价值是我们永恒的追求 2 产品介绍产品介绍 产品外观图 计算机操作界面图 本仪器是由清华大学和中国科学院声学所共同研制开发的 主要用于压电器 件和设备的检测 是对压电器件和设备进行测量和分析的综合性解决方案 可以 既快又方便地评估和测试压电器件的参数特性 阻抗分析仪是根据超声设备生产过程中一些无法直观看到的 但对产品质量 却有重要影响的技术指标 进行测量的一种可取代进口仪器的一种设备 他的特 点是 易用 指标和图形相结合 参数准确 价格低廉 对生产的可指导性非常 强等 阻抗分析仪主要适用对象为各类超声器件阻抗特性的测量 包括 压电陶瓷 换能器 超声清洗机 超声塑焊机 水声 磁致伸缩材料 超声粉碎机 超声雾 化 超声洁牙 倒车雷达 超声测距 超声乳化 超声除垢 超声马达等等所有 使用超声的设备 对压电器件的进行阻抗测量是正确使用器件的前提条件 对于压电器件 通 过阻抗分析仪可以得到其主要参数 包括 谐振频率 Fs 反谐振频率 Fp 半功 率点 F1 与 F2 最大导纳 Gmax 静电容 C0 动态电抗 R1 动态电容 C1 动态 电感 L1 自由电容 CT 自由介电常数 机械品质因素 Qm 机电耦合系数 Keff Kp K31 K33 等 并可以绘制压电器件的五种特性曲线 导纳特性图 阻抗特 性图 导纳极坐标图 阻抗极坐标图 对数坐标图 3 阻抗分析仪传统测量方法对比 阻抗分析仪传统测量方法对比 阻抗分析仪应用于超声工业 是为了替代传统的 落后的传输线测量方法 传输线法就是使用信号发生器 频率计 毫伏表等工具 进行手动测量的方法 传统的传输线测量方法与阻抗分析仪相比 是一种极为落后的生产方法 我们可 以做个对比 传输线法 阻抗分析仪 精度 精度 5 10 频率精度 50 100Hz 视工人素质而 定 测量精度 1 频率精度 0 1Hz 人员素质 要求 需要熟练工人 全自动化测量 使用极其简单 只 需要按一个键 所有结果就可以出 来 不需要专业的测量工人 测量指标 只能测量少数几个参数 而 且无法测量对超声设备十 分重要的一个参数 品质因 素 Qm 测量参数非常全面 可以分析超声 器件应用中的几乎所有参数 图形化 没有图形可供参考 能提供图形 只需要简单的常识 就能够从图形中能够判定超声器 件的是否合格 综合成本 传输线法需要手工去调节 频率发生器 因此频率发生 器损坏率很高 全自动化测量 使用寿命长 且不 需要专业工人 综合成本低 4 测量图形与参数简介测量图形与参数简介 阻抗分析仪可以测量以下参数 1 谐振频率 Fs 压电振子等效电路中串联支路的谐振频率 在这个频率下 压 电振子的阻抗最小 如下图标为 Fs 处的频率值 2 最大电导 Gmax 压电振子谐振时的导纳值的实部 即 Fs 处的导纳实部 导纳圆图 对数坐标图 等效电路图 3 半功率点 F1 与 F2 从导纳圆上看 导纳实部等于 Gmax 2 处的频率 这 样的频率有两个 大于 Fs 的为 F2 小于 Fs 的为 F1 如图上标为 F1 和 F2 处的频率值 4 反谐振频率 Fp 压电振子并联支路的谐振频率 在这个频率下 压电振子的 阻抗最大 如图上标为 Fp 处的频率值 5 机械品质因数 Qm 计算公式为 Qm 12FF Fs 其中Fs为谐振频率 F1 F2为半功率点 或者Qm 1 1 1 1 C L R 其中R1为动态电阻 L1为动态电感 C1 为动态电容 这两个公式计算结果完全相同 6 自由电容CT 压电器件在1kHz频率下的电容值 此值和数字电桥测得的 值是一致的 7 动态电阻R1 即为图中压电振子串联支路的电阻 计算公式为 R1 1 Gmax 其中Gmax为最大导纳 8 动态电感L1 即为图中压电振子串联支路的电感 计算公式为 L1 12 2 1 FF R 其中R1为动态电阻 F1 F2为半功率点 9 动态电容C1 即为图中压电振子串联支路的电容 计算公式为 C1 14 1 22 LFs 其中Fs为谐振频率 L1为动态电感 10 静态电容C0 计算公式为C0 CT C1 其中CT为自由电容 C1为动态 电容 注 静态电容也可以根据导纳圆圆心和电导轴 G轴 的偏移距离来计算 但是在实际应用中 一般都采用公式C0 CT C1 因此这里也采用C0 CT C1作为静电容的计算公式 11 有效机电耦合系数Keff Keff定义为无负载的压电振子在机械谐振时 贮存的机械能与贮存的全部能 量比值的平方根 其计算公式为 Keff 2 22 a sa F FF 12 平面机电耦合系数Kp 这个参数仅用于压电陶瓷片 它反映的是薄圆片沿厚度方向极化和电激励 作径向伸缩振动时 有关其机电耦合效应的参数 计算公式可以在软件中选择 13 自由介电常数 这个参数仅适用于压电陶瓷片 计算公式为 2 33 16 D tCT T 其中CT为 自由电容 单位是pF t为薄圆片厚度 单位是cm D为薄圆片直径 单位是 cm 阻抗分析仪可以提供以下坐标特性图 1 导纳坐标系GBF坐标曲线 左边曲线 横坐标 导纳实部G 纵坐标 导纳虚部B 右边曲线 红色 导纳实部G 蓝色 导纳虚部B 纵坐标 频率 2 阻抗坐标系RXF坐标曲线 左边曲线 横坐标 阻抗实部R 纵坐标 阻抗虚部X 右边曲线 红色 阻抗实部R 蓝色 阻抗虚部X 纵坐标 频率 3 阻抗极坐标系Z F坐标曲线 红色 阻抗模 Z 蓝色 阻抗相位 纵坐标 频率 4 导纳极坐标系Y F坐标曲线 红色 导纳模 Y 蓝色 导纳相位 纵坐标 频率 5 对数坐标系 左边曲线 横坐标 导纳实部G 纵坐标 导纳虚部B 右边曲线 红色 阻抗模的对数Lg Z 蓝色 阻抗相位 纵坐标 频率 5 阻抗分析仪如何指导生产 阻抗分析仪如何指导生产 评定一个振子或振动系统的性能优劣 需要从参数和导纳曲线图两方面进行 分析 1 参数 用阻抗分析仪可以评定压电陶瓷片 压电换能器 整个振动系统 换能器加 上变幅杆 模具 等各种器件设备的性能优劣 用阻抗分析仪分析超声器件设备 最重要的几个参数如下 Fs 机械谐振频率 即振动系统的工作频率 设计中应尽可能接近期望值 并且 必须与电源工作点匹配 对于清洗机 振子的谐振频率一致性越高越好 对于塑焊机或超声加工 变幅杆或模具设计不合理的情况下 振子的谐振频 率会偏离工作点 R1 动态电阻 压电振子串联支路的电阻 在相同的支撑条件下越小越好 对 于清洗或焊接振子来说 一般在5 20 之间 如果太大的话 振子或振动系 统工作会有问题 如电路不匹配或转换效率低 振子寿命短 Qm 机械品质因素 以电导曲线法确定 Qm Fs F2 F1 Qm越高越好 因为Qm越高 振子的效率越高 但Qm必须与电源匹配 Qm值太高时 电源 无法匹配 对于清洗振子来说 Qm值越高越好 一般来说 清洗振子的Qm要达到500 1000之间 太低的话 振子效率低 太高的话 电源无法匹配 对于超声焊接或加工来说 振子本身的Qm值一般在500 1000左右 整机 系统在1500 3000 太低的话 振动效率低 但是也不能太高 因为Qm越高 工作带宽越窄 电源难以匹配 即 电源难以工作在谐振频率点 设备无法工作 CT 自由电容 压电器件在1kHz频率下的电容值 此值和数字电容表测得的值 是一致的 这个值减掉动态电容C1就可以得到真正的静电容C0 C0 CT C1 使用时要以电感对C0进行平衡 在清洗机或超声加工机器的电路设计中 正确地平衡C0可以提高电源的功 率因素 使用电感平衡有两种方法 并联调谐和串联调谐 Fp 反谐振频率 压电振子并联支路的谐振频率 在这个频率下 压电振子的阻 抗Zmax最大 如果反谐振阻抗Zmax很低 则振子有问题 2 图形 阻抗分析仪提供五种坐标特性图 其中对数特性图对于压电器件的检测有重 要的意义 压电振子或振动系统的振动性能可以直接通过对数坐标图进行判断 比较直观 很实用 正常的情况下 导纳圆与电导曲线如下图 导纳圆为单圆 对数坐标图只有 一对极小值和极大值 异常情况下 导纳圆与电导曲线如下图 导纳圆图上出现多个寄生小圆 对 数坐标图有多对极小值和极大值 在以下的情况中 压电陶瓷或换能器的导纳圆与电导曲线会出现异常 1 换能器在装配时出现晶片裂 2 压电陶瓷本身有问题 如内部分层 3 超声变幅杆 模具的设计或装配出现问题 4 换能器同心度差造成的应力杆周围零件相碰 一般来说 导纳曲线图和参数互相有关联 如果振子的导纳曲线图正常 则 R1较低 Qm较高 反之如果振子的导纳曲线图异常 一般R1较大 Qm较小 对于换能器来说 往往有很多谐振点 第一振动 第二振动 第三振动等等 一般来说 第一振动 一般为厚向振动模式 用户所用模式 与第二振动相隔越 远越好 因为第二振动为其他模式的振动 如弯曲 扭转等等 在第一振动模 式工作的时候 第二振动也会产生振动 从而影响换能器寿命 它们隔得越远 影响越小 6 安装指导 安装指导 阻抗分析仪装箱清单 1 主机 2 主机电源 3 测试夹具线 4 串口线 5 光盘 软件 说明书 6 装机简要说明 合格证 保修卡 系统需要配备一台普通电脑 对电脑的最低要求如下 1 具备RS232口 2 Win2000或Win XP操作系统 3 机算计主频 内存 硬盘没有限制 最低能够运行Win2000操作系统就可以 4 显示器分辨率800 600或以上 安装过程 1 插入光盘 计算机会自动安装程序 安装过程中要求输入 serial 请输入 任意字符即可 顺着电脑提示完成安装 2 用串口线将电脑与主机连接起来 3 将阻抗分析仪的电源与阻抗分析仪主机连接起来 4 装上阻抗分析仪测试夹具 请装在四个插座的中间两个Q9插座上 5 打开阻抗分析仪主机电源 6 将测试夹具接上换能器或其他压电器件 注意换能器的摆放姿势 一般是平 躺在软垫上 错误的摆放姿势会导致测量数据不准确 7 打开软件PiezoView 选择 串口 输入 起始频率 和 终止频率 点击 启动 或者按下键盘上的空格键 系统即开始扫描 8 扫描过程结束后 屏幕下方显示阻抗分析图形 可以选择坐标系来看各个不 同坐标下的图形 屏幕上方的右边显示器件的全部参数 注意事项 1 如果您的电脑不带有RS232口 可以使用USB转RS232的转接口 其使用 参考阻抗分析仪说明书 2 请不要在扫描过程中 更换测试器件 3 测试夹具在鳄鱼夹在使用次数过多后 容易出现断路 用户可以自检 4 如果采用较长的引线将测试夹具线延长 由于寄生参数的影响 会带来一定 的误差 5 如果测试界面超出了屏幕的范围 可能是由于系统使用 大字体 引起的 请按照下面步骤改为 小字体 右击桌面 选择 属性 选择 设置 选项 卡 点击 高级 在 常规 选项卡里就可以看见 字体大小 选择项 改为 小字体 然后按照提示重启系统即可 6 产品一年保修 终身维修 7 产品应用情况 产品应用情况 2003年厦门召开的中国声学学会功率超声分会上 清华大学自动化系首次 推出 压电阻抗分析系统 至今已经有包括大学 研究所和生产企业在内的200 多家用户使用本阻抗分析仪产品 其中包括台湾 香港 德国的企业 在这次会议上 经中国声学学会功率超声会议学术委员会评审 本阻抗分析 仪的相关论文 压电阻抗分析系统的研制与应用 被评为优秀论文 阻抗分析仪可以运用于很多需要用到超声波的行业 超声塑焊机 超声清洗 机 超声换能器生产 超声电加工 水声 超声传感器 压电陶瓷生产 倒车雷 达 各类医用超声 超声洁牙 超声变幅杆生产 超声焊头设计 超声搅拌 超 声乳化等等所有需要用到超声波的行业 使用阻抗分析仪可以给公司带来很多方面的效益 例如 1 明显提高产品品质 因为阻抗分析仪的图形能否发现超声器件内部不很 明显的缺陷 可以用于公司的来料检测 生产指导 2 测量速度快 如需测量大量的器件 可以极大地减少人力成本 3 公司的生产过程很容易进行标准化 公司的技术也更稳定 典型企业有 大学 研究所 清华大学 北京大学 中科院声学所 等15家院校与研究 所 超声焊接 长荣 新动力 科威信 西子海尔曼 德国 等50家企业 超声清洗 北京金星 张家港港星 深圳波达 等80家企业 压电陶瓷生产 广州奥迪威 东方金荣 昆山日盛等30家企业 换能器生产 南方声学 杭州成功电子等15家企业 水声 中船重工715所 哈尔滨工程大学水声重点实验室等8家研究所单位 清华大学用户意见 北京大学使用证明 中科院声学所使用证明 广州奥迪威电子使用证明 8 产品型号与规格产品型号与规格 规格 性能 PV50A PV70A PV70B 频率范围 100Hz 100KHz 1KHz 700KHz 5KHz 700KHz 测量指标 所有参数 除电容外 测量精度 0 5 1 测量速度 50 60秒 件 5 8秒 件 2 4秒 件 频率精度 50ppm 相位分辨率 0 15度 环境温度 10 40摄氏度 阻抗范围 1 1M 频率步进 0 1Hz 任意 适用场合 水声领域 频率较 低 测速较慢 功率超声 功率超声 速度较 快 但不测电容 9 阻抗分析仪与进口的阻抗分析仪相比有什么区别 阻抗分析仪与进口的阻抗分析仪相比有什么区别 进口的阻抗分析仪Agilent4294的价格在30万人民币左右 高昂的价格限制 了它在国内工业界的应用 国内仅有很少的企业和研究所拥有进口设备 与安捷伦4294A相比 我们有很多方面的优势 除了成本之外 还有专门 针对超声应用设计的软件 使其在应用中比进口仪器方便 简单 不需要专业人 员操作 可以计算更多的参数 国内许多生产厂用我们的产品取代安捷伦4294A 包括中科院声学所 清华 大学 番禺奥迪威 它们的检测指标完全相同 而且还具有成本低 操作简便 软件界面友好等特点 10 产品在使用上对工人有没有什么要求 产品在使用上对工人有没有什么要求 对工人的素质几乎没有要求 软件采用了简洁式的设计 只需要按一个键就 可以得到结果 用户可以存贮 打印任何图形 还可以将参数保存为计算机Excel表格 极 大地提高了用户使用方便程度 用户还可以自己定制合格条件 软件可以自动判 断合格 11 获奖情况 获奖情况 本产品于2003年8月获得清华大学挑战杯科技成果奖 本产品于2005年10月被授予国家发明专利 本产品研究的相关论文在2003年全国功率超声学术会议上被授予优秀论文 奖 12 导纳圆的原理 导纳圆的原理 对于压电器件来说 如果在离某一谐振频率很远的频率上 没有其他谐振 则在这个谐振频率附近可把压电器件近似看成一个集总系统 其符号和等效电路 如左下图所示 压电器件等效电路 导纳圆示意图 上图左边为为压电器件的等效电路 其中C0是静态电容 R1 C1 L1分 别为动态阻抗中的电阻 电容 电感 在这个等效电路中 假定压电器件的总导纳为Y 并联支路和串联支路 或 称之为静态导纳和动态导纳 分别为Y0和Y1 则Y Y0 Y1 通过运算可以得 出动态导纳Y1和总导纳Y随频率变化的情况 取横坐标表示电导 导纳的