MICROTEST 高频阻抗分析仪6632新增超声波元件分析功能

利用导纳圆绘图分析更直观压电片/蜂鸣片/超声波传感器的阻抗与谐振频率

压电陶瓷换能器是一种『电、声、力』之转换器，是将电的信号与声的信号透过材料特性进行能量相互转换的技术原理，压电陶瓷在烧制过程中利用强直流电场中极化，极化处理后的压电陶瓷将保持一定的压力，当压力与张力施加至压电陶瓷片时，陶瓷片之两端将会产生极性相反的电荷，经由电路产生电流，这种压电效应放入水中，在声波的作用下换能器之两端会感应出电荷，即是声波接收器。

当压电元件处于静态时

我们忽略电损耗，则可当做是一静态电容C0

当压电元件处于振动并辐射能量时

还存在与静态电容C0并联一起的动态阻抗

此动态阻抗是来自元件振动过程中其弹性与惯性与周围介质对振动部份的反作用

我们可以将动态阻抗用串联的电容C1、串联的电感L1、串联的电阻R1来表示

当机械品质因数Qm较高时

在某共振频率附近的L1、C1可当做基本常数，则R1与机械损耗、辐射的机械能有关联

此时我们可以利用交流电路的复数符号来评定压电元件的谐振阻抗特性

电路中的总阻抗 Z = U / I

电路中的总导纳 Y = I / U

因此，我们可以测量元件的导纳 = 测量阻抗，评估元件与所在电路之间的匹配阻抗

由于压电组件之等效电路采用并联方式

上图为导纳矢量平面图

X轴为导纳实部即是电导G，Y轴为导纳虚部即是电纳B

压电组件的阻抗随频率改变之下，透过导纳圆分析可观察导纳的变化

当讯号频率刚好在串联谐振频率附近的范围内发生变化时，串联支路导纳Y1为一圆形矢量

其圆的中心为(1/2R1，0)，半径为(1/2R1)

我们可以利用导纳圆绘图方式更直观检视压电组件的阻抗相关参数    

Fs 机械谐振频率

整个振动系统的工作频

Fp 反谐振频率

压电振子并联支路之谐振频率(C0、L1产生的谐振)，在Fp之下阻抗最大，导纳最小

Gmax 串联谐振下的电导

串联谐振的电导

指的是整组振动系统工作下的电导值(R1的倒数)

Qm 机械品质因数

公式为Qm=Fs/(F2-F1)

Qm越高代表压电振子的效率越高，同时也要与电源匹配

C0 静态电容量

公式为C0=CT-C1，CT为1kHz下的自由电容

可利用并联协调或串联协调进行平衡C0，要以电感对C0进行平衡，平衡可提高电源的功率因子

C1 动态电容量

动态阻抗中的电容

R1 动态电阻

公式为R1=1/D，R1为压电振子串联支路的电阻，D为导纳圆的直径

L1 动态电感

公式R1/2π(F2-F1)，L1为压电振子串联支路的电感

F1 振子半功率点频率 / F2 振子半功率点频率

针对整个振动系统而言，通常F2-F1小于10Hz

可能造成频带过窄，电源难以在谐振频率点，导致无法工作

Zmax 反谐振阻抗

此值过低会影响压电振子之寿命性

Kp 有效的机电耦合系数

此值可参考为转换效率的好坏