锆钛酸铅PZT压电陶瓷自动测试系统

黎水平，王志超，邓 基

（武汉理工大学 机电工程学院，武汉 430070）

压电陶瓷是具有压电特性的功能陶瓷材料，由铁电多晶体极化处理后制成，是一种重要的电子陶瓷[1]。由于锆钛酸铅PZT压电陶瓷具有出色的压电性和介电性，而且易于制成各种形状和尺寸，因此其应用众多，被广泛应用于军事、医疗、交通、通信等领域[2]。PZT压电陶瓷的特性参数受生产制备过程各因素影响较大[3]，同时PZT压电器件的性能主要由其中的PZT压电陶瓷元件决定，因此对PZT压电陶瓷的测试在其实际生产、理论研究及应用开发中都具有较大意义。

目前，针对PZT压电陶瓷的测试方法主要有2种：传输线法和导纳圆法。传统的PZT压电陶瓷的测试系统主要是采用传输线法[4]，利用信号发生器、频率计等组成测试系统进行测试，但这种测试系统不仅需要手工调节测试信号，而且数据保存和处理等难以自动实现，自动化程度较低，测试时间较长，与其他系统兼容性也较差[5]。目前采用的导纳圆法[6-8]的测试系统，一般使用如安捷伦4294阻抗测量仪等通用阻抗分析仪构建，其测量范围广，精度高，但是整套系统体积大，而且价格昂贵。对此，文中设计了一套基于导纳圆法的自动测试系统，并通过试验进行验证。

1 PZT压电陶瓷测试原理

PZT压电陶瓷具有一定的机电转换能力，因此，在研究压电陶瓷时，常采用机电类比的方法，用相应的等效电路来作为压电陶瓷的类比模型，以表示其在谐振点附近的机电特性。PZT压电陶瓷在谐振频率附近的等效电路如图1所示。

图1 PZT压电陶瓷的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of PZT piezoelectric ceramic

图中，R0为静态电阻；C0为静态电容；L1为动态电感；L1为动态电容；R1为动态电阻。等效电路的总导纳Ytot由动态电路导纳Yd，静态支路导纳Yq与静态电阻支路导纳YR0三者组成，即

式中：gd为动态支路的电导；bd为动态支路的电纳；ω为信号源的角频率。由等效电路可知：

化简后可得

在式（1）中，静态支路的导纳Yq在串联谐振频率fs附近变化量jC0Δω很小，可近似地看作是一个不随频率变化的常量，则根据式 （2）（3）可知，等效电路的总导纳Ytot在导纳复平面的轨迹为标准圆，即PZT压电陶瓷的导纳圆，其圆心为半径为（2R1）-1，如图2所示。

由导纳圆可计算出PZT压电陶瓷的等效电路参数和部分特征参数，所推导的各参数计算公式为

图2 PZT压电陶瓷的导纳圆Fig.2 Admittance circle of PZT piezoelectric ceramic

式中：ω1/2为f1/2的角频率；r为导纳圆半径。

导纳圆的测试电路原理如图3所示，其中信号源为频率和幅值可调的交流电压源。Rs为采样电阻；为压电陶瓷上的电压信号；为采样电阻上的电压信号。

图3 测试电路原理Fig.3 Schematic diagram of test circuit

由该测试电路可测得PZT压电陶瓷在不同频率信号源下的导纳值。其导纳值为

其中

2 测试系统的设计

整个自动测试系统由导纳数据检测板和客户端软件平台两大部分组成。其中，导纳数据检测板是测试过程的执行单元，主要生成所需的测试信号，进行数据采样；客户端软件平台是测试过程的管理单元和数据处理中心，主要提供面向测试人员的软件界面平台，测试人员通过客户端软件平台实现自动测试系统的控制，并且客户端软件平台能够实现对采样数据的处理以及显示和管理。

自动测试系统的客户端软件平台为PC端的图形界面程序，导纳数据检测板为基于微控制器的嵌入式系统。在测试过程中，测试人员通过客户端软件平台对测试参数等进行设置，客户端软件平台通过向导纳数据检测板发送控制指令来控制整个测试过程。导纳数据检测板根据客户端软件平台下发的控制指令执行实际的测试，并将测试过程中所得到的采样数据打包后发送给客户端软件平台。客户端软件平台对获得的采样数据，进行数据处理以得到压电陶瓷的导纳圆图，并根据导纳圆图计算出测试结果，同时客户端软件平台将对各项测试数据进行存储、管理并显示所需的数据。

2.1 导纳数据检测板

导纳数据检测板是基于STM32微控制器的嵌入式系统，其总体结构如图4所示。

图4 导纳数据检测板总体结构Fig.4 Overall structure of the admittance data detection board

导纳数据检测板（简称检测板）由多个模块组成，各模块及其功能如下：

1）测试信号生成模块 根据外部的控制量生成原始测试信号，即所需频率的正弦波交流信号。测试信号生成模块，采用AD公司的DDS芯片AD9852实现信号的生成。

2）测试信号滤波模块 对原始测试信号中的杂波和谐波进行滤除。测试信号滤波模块的类型为分立元件组成的五阶巴特沃斯低通滤波器。

3）测试信号功率放大模块 测试信号功率放大模块的电路选择2级放大的形式。前级放大电路选用具有较高共模抑制比的三运放高共模抑制比放大电路，进行电压放大；后级放大电路使用TI公司的高速电流缓冲器BUF634，对信号的功率进行放大。

4）被检信号采样模块 对2路被检信号进行调理，使其幅值和信号类型等处于可检范围，并对调理后的被检信号进行采样。被检信号采样模块使用A/D转换器AD7352构建，同时为了使得测试信号的电压幅值、信号类型处于AD7352的可采样范围内，在采样前还需要对信号进行调理，对被检信号的调理主要包括：对被检信号进行电压衰减使其处于AD7352可采样的电压范围；对被检信号进行直流耦合，使其由交流信号变为单极性信号；将单端被检信号转换为差分信号。

检测板主要由客户端软件平台来控制，软件平台通过通信电路将控制指令发送至检测板，检测板的主控制器根据接收到的控制指令生成相应的控制量，从而控制测试信号生成模块生成原始测试信号，原始测试信号经调理后，驱动PZT压电陶瓷振动。之后被检信号采样模块对PZT压电陶瓷和采样电阻上的2路被检信号进行调理，并周期性地同步采样电压值。主控制器接收采样数据，并将采样数据打包后发送至软件平台，由软件平台负责处理。

2.2 客户端软件平台

自动测试系统的客户端软件平台，主要是Windows系统中基于Qt5.7和SQLite数据库实现的图形界面程序，其功能结构如图5所示。

图5 客户端软件功能结构Fig.5 Client software functional structure

（1）数据通信功能

软件平台需要与检测板进行通信，软件平台将根据用户设定的测试参数生成控制指令，并以指令帧的形式下发至检测板，同时能够接收检测板上传的数据。

（2）测试数据管理功能

软件平台应能够存储并管理每次测试的基本信息，同时能存储和管理一系列测试数据。

（3）测试数据显示功能

数据显示功能主要用于将采样数据、导纳数据、拟合的导纳圆曲线和测试结果等直观地显示在软件界面上。

（4）测试数据处理功能

数据处理功能负责对接收到的采样数据进行处理以得到导纳点，同时对所得到的大量导纳点进行导纳圆拟合以得到导纳圆。

（5）辅助功能

主要用于实现通信参数设置、测试参数设置、显示自动测试系统的状态、提供历史数据查询和用户管理等功能。

软件总体流程如图6所示。当启动软件平台时，软件平台首先进行初始化，包括界面的初始化、建立数据库连接、建立各Qt控件对象间信号与槽的关联等。初始化完成后，用户可以在界面上进行通信参数、测试参数等设置，用户设置完成后软件平台将等待用户启动测试。

图6 客户端软件平台总体流程Fig.6 Overall flow chart of the client software platform

一旦用户启动测试，软件平台将主动向检测板发起通信请求，并控制检测板执行完整的测试过程，同时接收检测板上传的数据，接收到的数据将被保存在数据库中。测试完毕后，软件平台将对所接收到的全部数据进行处理，计算出各频率下的导纳点，并根据导纳点进行导纳圆拟合，最终根据导纳圆计算得到PZT压电陶瓷的特征参数，这些数据也都将被保存在数据库中。当所有数据都处理完成后，软件平台将把相应的测试数据显示在软件平台界面上。所实现的客户端软件主界面如图7所示。

图7 客户端软件平台界面Fig.7 Client software platform interface

3 试验测试与分析

为验证所设计的自动测试系统的有效性和工作性能，搭建了实验平台。该平台由导纳数据检测板、PC以及示波器3部分组成。

使用该实验平台对2个标号的不同PZT压电陶瓷试样进行测试，并使用安捷伦4294A阻抗分析仪对同样的试样进行测试，将测试结果进行了对比。对各试样进行测试所得到的导纳圆如图8所示。试样A和B的测试结果见表1。

图8 试样测试导纳圆Fig.8 Sample test admittance circle

由表可知，所设计的自动测试系统在测量谐振频率和反谐振频率时结果比较准确，2次测试的谐振频率最大相对误差为0.88%，反谐振频率最大相对误差为1.12%，说明该系统在测试谐振频率和反谐振频率时具有较高精度。对于其余参数，该系统在测试试样A时，除静态电阻外，试样B的各项测试结果相对误差均低于15%；而试样B除动态电容外，各项结果相对误差均低于10%。

表1 试样A和B的测试结果Tab.1 Test results of sample A and B

通过结果分析可知，该套系统与阻抗分析仪相比较，在测试精度上尚存在一定差距，但总体仍具有一定的精度，能够得到较为准确的测试结果。

4 结语

所设计的自动测试系统可用于测试PZT压电陶瓷，还可用于测试PZT压电陶瓷的部分应用器件，对于其它种类压电陶瓷的测试也具有一定的实用性和借鉴性。该系统能够实现自动化测试，可测参数较多，测试时间较短，在测量谐振频率和反谐振频率时本系统具有较高的精度，且体积小、成本低，可以用于替代相应场合中的阻抗分析仪。