压电陶瓷超声波换能器阻抗测试仪介绍
一.产品外观图
二、操作界面
1.触摸屏画面
2.连接计算机显示图
主要适用对象是测量各种超声器件的参数特性，包括：压电陶瓷、传感器、超声波清洗机、超声波塑料焊机、水声、磁膨胀材料、超声波破碎机、超声波雾化、超声波牙齿清洁、倒车雷达、超声波测距、超声波乳化、超声波规模、超声波电机等。
压电器件的阻抗测量是正确使用该器件的前提。主要参数可通过阻抗分析仪获得，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、机械质量因素Qm、机电耦合系数Keff、Kp、K31、K33等，并可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)。
三、测量图形和参数简介
本测试分析仪可测量以下参数：
1)谐振频率Fs：串联支路在压电振子等效电路中的谐振频率最小的阻抗。Fs处的频率值。
2)最大电导Gmax：当压电振子谐振时，导纳值的实部，即Fs导纳实部。
)半功率点F1与F2:从导纳圆的角度来看，导纳实际等于Gmax/2频率有两个，大于Fs的为F2，小于Fs的为F1.如图所示F1”和“F二、频率值。
4)反谐振频率Fp：在此频率下，压电振子的阻抗最大。如图所示，Fp处的频率值。
5)机械质量因数Qm：计算公式为Qm＝
中Fs谐振频率，F1、F2为半功率点。或者Qm＝
，其中R一是动态电阻，L一是动态电感，C1.动态电容器。这两个公式的计算结果完全相同
6)自由电容CT：压电器件在1kHz频率下的电容值。该值与数字电桥测得的值一致。
7)动态电阻R1:是图中压电振子串联支路的电阻。计算公式如下:R1＝1／Gmax，其中Gmax最大导纳。
8)动态电感L1:是图中压电振子串联支路的电感。计算公式如下:
L1＝
，其中R一是动态电阻，F1、F二是半功率点。
9)动态电容C1:是图中压电振子串联支路的电容。计算公式如下:
C1＝
，其中Fs谐振频率，L1.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.动态电容。
注:静态电容也可以根据导纳圆心和电导轴(G计算轴)的偏移距离。但在实际应用中，公式一般采用C0＝CT－C所以这里也采用了C0＝CT－C1作为静电容的计算公式。
11Keff：
Keff将无负载压电振子定义为机械谐振时储存的机械能与储存的所有能量比的平方根。计算公式为：Keff＝
12平面机电耦合系数Kp：
该参数仅用于压电陶瓷片，反映了薄片沿厚度极化和电激励作为径向膨胀振动时机电耦合效应的参数。软件中可以选择计算公式。
13)自由介电常数：
该参数仅适用于计算公式为的压电陶瓷片；
，其中CT单位是自由电容器pF；t单位是薄片的厚度cm；D单位是薄片的直径cm。
超声波换能器性能参数分析仪可提供以下坐标特性图：
1)导纳坐标系GBF坐标曲线：
左曲线：横坐标-导纳实部G、纵坐标导纳虚部B
右侧曲线：红色导纳实部G、蓝色导纳虚部B、纵坐标-频率
左曲线：横坐标-阻抗实部R、纵坐标-阻抗虚部X
右侧曲线：红色-阻抗实部R、蓝-抗虚部X、纵坐标-频率
3)阻抗极坐标系ZθF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YθF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：
左曲线：横坐标-导纳实部G、纵坐标导纳虚部B
右曲线：红色阻抗模对数Lg|Z|、蓝色-阻抗相位，纵坐标-频率
四、仪器参数解读
需要从参数和导纳曲线图两个方面来分析振子或振动系统的性能：
1)参数：
可评估压电陶瓷片、压电换能器、整个振动系统（变幅杆、模具）等设备的性能。超声器件设备最重要的参数如下：
Fs：机械谐振频率，即振动系统的工作频率和设计应尽可能接近预期值，并必须与电源工作点相匹配。
振子谐振频率一致性越高越好。
当塑料焊机或超声加工、变幅杆或模具设计不合理时，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5Ω～20Ω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
本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。
五、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：
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(导纳的实部)，取纵坐标表示电纳(导纳的虚部)。当频率在谐振频率附近的范围内发生变化时，Y1的相矢终端轨迹为一圆，其圆心为(1/2R1，0)，半径为1/2R1。
当Y1的相矢终端旋转一周时，Y0的相矢终端随频率变化一般较小，近似认为为一常数，于是，把Y1的轨迹圆在复平面上沿纵轴向上平移。即可得到总导纳的相矢终端随频率变化的轨迹圆，即所谓的导纳圆。
利用导纳圆图，可以求出压电器件的等效电路和其他一些重要的参数，从图中可以看到三对谐振频率：1Fs机械(串联)谐振频率换能器的工作频率点
Fp并联谐振频率
2Fm最大导纳频率换能器阻抗最小
Fn最小导纳频率换能器阻抗最大
3Fr谐振频率(B=0)阻抗相位为零的较低的频率
Fa反谐振频率(B=0)阻抗相位为零的较高的频率
阻抗分析仪可以提供以上所有的频率，但是应用中只需要Fs和Fp。
Fm、Fn为传统的传输线法测到的频率，我们由此可以看到，传输线法测到的谐振频率Fm与换能器的工作频率Fs还有一些差别，如果导纳圆的圆心距离G轴距离较小，可以近似认为：Fs≈Fm≈Fr，Fp≈Fn≈Fa；但是，如果导纳圆的圆心距离纵坐标有一定的距离，则Fs与Fm有很大区别。显然，阻抗分析仪测量的更准确。
Fr和Fa一般的应用中不用。