基于LabView的压电换能器多路动态信号采集与分析系统

黄嘉伟，张继昌，张宏杰

（天津工业大学机械工程学院，天津300387）

0 引言

先进电子制造是关系到国民经济、国防建设的战略性产业，微连接技术是电子封装的核心环节，压电换能器是热超声引线键合及相关超声辅助精密制造、检测技术领域中最广泛采用的换能方式，是将电能转换为制造、检测所需机械能的主要途径之一，图1所示为用于热超声键合的压电超声换能器的一般结构[1-2]。

图1 压电超声换能器结构图

由于压电超声换能器是多个子系统非线性耦合而成的三维振动系统，因此换能器的动力学行为特性与压电材料特性、变幅杆结构、换能器装配、激振信号品质等诸多因素密切相关，因此，要研究换能器的动力学行为特性的影响因素及其规律，首要的就是需要能够完整捕捉到换能器在工作时其动态响应过程，并且能够对采集的换能器动态响应信号进行分析，提取其动态响应特征，为研究换能器动力学行为特性影响因素及规律，提升换能器能量利用率奠定技术基础。Or等通过在压电换能器中安装压电传感器，从而测得换能器在工作过程中的振动信号以及机械阻抗信号等，并以此来评价键合质量[2]，王福亮通过设计超声引线键合过程的信号采集及分析系统，得到表征换能器键合质量的特征信息，以此来判定换能器的键合质量[3]。而本文研究设计了基于LabView[4-5]虚拟仪器技术平台的压电超声换能器数据采集以及分析系统，能够实现换能器激励信号输出与多路动态信号采集的同步进行，以及实现大量数据的高速存储，并通过Matlab对采集信号进行分析，提取信号的包络线，得到压电换能器动态响应信号的性能评价指标。

1 压电超声换能器多路动态信号在线监测与分析系统硬件构成

如图2所示为换能器多路动态信号在线监测与分析系统平台，包括高频超声换能系统驱动电源、光学精密隔振平台、NI高性能数据采集装备、OptoMET Vector-speed高速型激光多普勒测振仪等设备搭建的换能器多路动态信号同步监测平台，数据采集卡采用的是NI公司的USB-6366高速数据采集模块，该采集卡是一款具有8路 AI（16位，2 MS/s），2路AO（3.33 MS/s），24路 DIO，USB 多功能 I/O 设备，USB-6366适用于从基本数据记录到控制和测试自动化等广泛的应用。

图2 高频超声压电换能器多路动态信号监测平台

2 压电超声换能器多路动态信号监测与分析系统软件总体设计

本文基于LabView虚拟仪器技术开发了换能器激振信号输出以及换能器动态电压、电流、真有效值、阻抗相位、振幅、振速等信号的高速同步采集与数据存储软件，并且通过对多路动态信号进行分析，研究换能器的动态响应特性，系统总体功能逻辑框图如图3所示。

图3 系统总体功能逻辑框图

换能器多路动态信号在线监测系统软件总体设计如图4所示，软件由四个模块构成，包括换能器激振信号生成模块、换能器多路动态信号采集模块、数据显示模块、数据存储模块。其中的核心和难点为信号生成与数据采集的同步进行，并且能够实现扫频功能，信号生成方式可以选择按周期或按时间来生成，能够很好地满足不同实验情况所需的条件。

图4 在线监测系统软件总体设计图

如图5所示为系统软件的前面板窗口，可通过前面板设置激振信号的波形、信号时长、幅值、频率、输出通道等参数，以及数据采集的输入通道、采样频率、触发源、触发电平等参数。

图5 压电超声换能器多路动态信号在线监测系统软件前面板

3 换能器多路动态信号在线监测与分析系统实验结果

测试换能器选用双锥型柔性夹持换能器，如图6中上图所示，运用扭矩扳手给换能器压电振子施加4.5 kN装配预紧力，驱动电源设置换能器加载电压为20 Vp-p，设置激振频率为当前换能器谐振频110.185 kHz，利用激光多普勒测振仪测量换能器前端振幅，并通过数据采集卡获得换能器电流、振幅、阻抗相位详细数据信息。如图6下图所示为换能器工作在谐振以及非谐振状态下，其电流、振幅以及阻抗相位响应信号，从图中可以看到，采集系统能够完整采集到换能器响应信号的响应过程，包括暂态过程、稳态过程以及衰减过程[6]，为后续的研究奠定了基础。

图6 上图为双锥型柔性夹持换能器实物图，下图为换能器在谐振及非谐振激励下响应信号：（a）和（d）为换能器电流响应信号，（b）和（e）为换能器振幅响应信号，（c）和（d）为换能器阻抗相位差信号

为了测试该系统的扫频功能，测试了在预紧力为4.5 kN，加载电压为20 Vp-p时，激振频率设置为109.385～110.185 kHz，频率步长设置为80 Hz，信号时长为三种（2.5 ms、3 ms、7 ms）情况下，换能器电流动态响应信号如图7所示。

图7 换能器扫频激励下电流响应信号

通过采集系统得到换能器响应信号之后，为了研究响应信号的动态响应特性，本文运用Matlab对换能器动态响应信号进行包络线提取，得到换能器动态响应特性评价指标，如超调量、调节时间、上升时间等等，图8所示为在预紧力为4.5 kN，加载电压设置为20 Vp-p时，换能器在谐振及非谐振激励下响应信号的包络线提取，从提取的包络线中能够清晰的得到换能器动态响应特性的评价指标，其中图8（a）中Tr为换能器谐振电流信号上升时间，图8（b）Ts为换能器非谐振电流信号调节时间，Mp为电流信号包络线峰值，Fv为电流信号包络线稳态值，由此可得换能器电流信号超调量σ为式（1）所示。

图8 换能器在谐振及非谐振激励时电流响应信号包络线

4 结束语

本文基于LabView虚拟仪器技术平台开发了高频压电超声换能器多路动态信号采集系统，搭建了高频压电超声换能器多路动态信号监测平台，很好地实现了换能器激励信号输出以及多路动态信号采集的同步进行以及大量数据的高速存储功能，同时实现了扫频功能，能够同时得到换能器在多种频率下的动态响应过程，大大节省了实验花费的时间，并通过实验验证了该系统的可行性、准确性及快速性，保证了在换能器工作时能够捕捉到其完整的动态响应过程。最后利用Matlab分析采集的换能器动态响应信号，并通过提取其包络线，得到换能器动态响应信号各性能评价指标。