一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統及測試方法
【專利摘要】本發明涉及一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統及測試方法，包括待測壓電檢波器、密閉聲壓腔、壓電檢波器測試儀和上位機；其技術特點是：所述壓電檢波器測試儀由外殼及其內部的測量控制電路構成，所述內部的測量控制電路包括：微機處理器、音頻信號產生電路、音響功放電路、信號激勵模塊、待測壓電檢波器探頭接口電路、信號處理和通道選擇電路、A/D轉換器和電源供電模塊；本發明通過對待測壓電檢波器的靈敏度、直流電阻、阻尼系數、自然頻率、極性等多種技術指標參數的分析，能夠全面反映待測壓電檢波器的性能優劣。
【專利說明】
一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統及測試方法
技術領域
[0001] 本發明屬于壓電檢波器技術領域，特別涉及一種便攜式壓電檢波器多參數測試系 統及測試方法。
【背景技術】
[0002] 隨著石油勘探領域由陸地向淺海和沼澤地區勘探的發展，壓電檢波器的市場將逐 漸增長。因此，壓電檢波器測試儀的需求也越發強烈。
[0003] 壓電檢波器的技術指標表征了它在實際的石油勘探施工中所起到的作用，也就是 說，壓電檢波器的技術指標參數會對地震勘探結果產生直接影響。通過壓電檢波器測試系 統實現對待測壓電檢波器的技術指標參數的測量，并通過實際的測量值與設計的標稱值之 間的對比分析，可以鑒別一個待測壓電檢波器的性能優劣，而現有的壓電檢波器測量系統 可以測得的壓電檢波器技術指標參數單一，一般只可以測量電阻和靈敏度兩個參數，不能 夠全面反映待測壓電檢波器的性能優劣。
[0004] 另外，由于現有的壓電檢波器測試系統內的密閉聲壓腔體積過大，無法適應石油 勘探的野外需要，導致其不能滿足當前的市場需求。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種設計合理且技術指標參數測量 全面的便攜式壓電檢波器多參數測試系統及測試方法。
[0006] 本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：
[0007] -種便攜式壓電檢波器多參數測試系統，包括待測壓電檢波器、密閉聲壓腔、壓電 檢波器測試儀和上位機;所述待測壓電檢波器安裝在密閉聲壓腔頂部并與所述壓電檢波器 測試儀的待測壓電檢波器探頭接口相連接;所述密閉聲腔的一端內置揚聲器，該揚聲器與 所述壓電檢波器測試儀的音頻信號輸出口相連接;該壓電檢波器測試儀還與上位機相連 接，將采樣數據傳輸至上位機進行運算分析;所述壓電檢波器測試儀由外殼及其內部的測 量控制電路構成，所述內部的測量控制電路包括:微機處理器、音頻信號產生電路、音響功 放電路、信號激勵模塊、待測壓電檢波器探頭接口電路、信號處理和通道選擇電路、A/D轉換 器和電源供電模塊;所述微機處理器分別與音頻信號產生電路相連接用于控制其產生音頻 信號，與音響功放電路相連接用于控制其通斷，與信號激勵模塊相連接并向其輸出直流控 制信號，與A/D轉換器相連接，與信號處理和通道選擇電路相連接并向其輸出通道選擇控制 信號;所述音頻信號產生電路的輸出端與音響功放電路相連接，該響功放電路的輸出端與 所述揚聲器相連接，用于使揚聲器產生外部聲壓激勵信號進而測量待測壓電檢波器的靈敏 度;所述信號激勵模塊的輸出端與待測壓電檢波器探頭接口電路相連接，所述待測壓電檢 波器探頭接口電路與信號處理和通道選擇電路相連接，所述信號處理和通道選擇電路的輸 出端與所述A/D轉換器相連接用于將所述壓電檢波器產生的響應信號進行放大濾波和阻抗 匹配后輸出至A/D轉換器;所述電源供電模塊與所述微機處理器相連接并為測量控制電路 的各個模塊供電。
[0008] 而且，所述信號激勵模塊由直流電壓產生電路和脈沖電壓產生電路組成，所述直 流電壓產生電路和脈沖電壓產生電路包括D/A轉換器和電壓跟隨器，所述電壓跟隨器主要 由運算放大器組成;所述直流電壓產生電路產生的直流激勵信號用于測量所述待測壓電檢 波器的直流電阻，所述脈沖電壓產生電路產生的脈沖激勵信號用于測量所述待測壓電檢波 器的阻尼系數和自然頻率。
[0009] 而且，所述信號處理和通道選擇電路的信號處理電路包括兩個不同放大系數的差 動放大器和一個運算放大器，所述兩個不同放大系數的差動放大器和所述運算放大器連接 在一起組成兩路輸出的電壓跟隨電路，實現緩沖和隔離的目的。
[0010] 而且，所述信號處理和通道選擇電路的通道選擇電路由模擬開關和繼電器構成， 用于對所述信號激勵模塊的輸出的直流激勵信號和脈沖激勵信號以及音頻信號產生電路 輸出的外部聲壓激勵信號進行分時通斷控制。
[0011] 而且，所述微機處理器還分別與擴展液晶屏接口電路和RS232接口電路的一端相 連接，所述RS232接口電路的另一端與USB接口電路相連接，用于用于通過RS232串口轉USB 接口的通行方式與上位機進行通信。
[0012] 而且，所述密閉聲壓腔是用于模擬均勻壓力場環境的兩端密閉的剛性圓桶，所述 剛性圓桶的一端安裝電動式低頻揚聲器。
[0013] -種便攜式壓電檢波器多參數測試系統的測試方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟1、將壓電檢波器測試儀與上位機握手連接后對壓電檢波器測試儀進行校準；
[0015] 步驟2、測試待測壓電檢波器的極性；
[0016] 步驟3、將測試完壓電檢波器極性的待測壓電檢波器安裝在聲壓密閉腔頂部的固 定位置，聲壓檢波器測試儀自動測量待測壓電檢波器的靈敏度、直流電阻、阻尼系數和自然 頻率后在上位機軟件上顯示該測試結果和測試波形，若測試結果不符合相關制造廠家合格 范圍則上位機軟件會顯示相應的指示；
[0017] 步驟4、保存待測壓電檢波器的測試數據并輸出測試報表。
[0018] 而且，所述步驟1的具體方法為:首先將壓電檢波器測試儀與上位機的通信接口相 連接，然后上位機軟件向該壓電檢波器測試儀發送握手信號，壓電檢波器測試儀通過串口 接收到該握手信號后發送回復信號，若發送的回復信號與接收的握手信號相符，則壓電檢 波器測試儀與上位機握手成功;壓電檢波器測試儀與上位機握手成功后將已知參數的標準 壓電檢波器安裝在密閉聲壓腔頂部的固定位置后將標準壓電檢波器與壓電檢波器測試儀 的測試探頭接口相連接，然后在上位機輸入該標準壓電檢波器的技術指標參數，開啟儀器 自動校準功能，若校準成功則可以測試待測壓電檢波器。
[0019] 而且，所述步驟2的具體方法為:將待測壓電檢波器與壓電檢波器測試儀的測試探 頭接口相連接，上位機發出測試待測壓電檢波器極性的指令，當聽到揚聲器的響聲后按壓 待測壓電檢波器的敏感部位一定時間，采樣待測壓電檢波器輸出的響應波形，并通過上位 機進行顯示，分析第一個波峰的極性，如果第一個波峰是正脈沖則被測壓電檢波器為正極 性，如果為負脈沖則被測壓電檢波器為負極性。
[0020] 而且，所述步驟4的具體方法為:在上位機數據記錄區域輸入產品編號，單擊記錄 數據按鈕將當前的測試數據保存在數據記錄區域后在上位機報表信息輸入框輸入測試人 姓名、產品編號后單擊報表輸出按鈕則可以將數據記錄區域的歷次測試數據已報表形式輸 出。
[0021] 本發明的優點和積極效果是：
[0022] 1、本發明通過對待測壓電檢波器的靈敏度、直流電阻、阻尼系數、自然頻率、極性 等多種技術指標參數的分析，能夠全面反映待測壓電檢波器的性能優劣。
[0023] 2、本發明在測量待測檢波器靈敏度時采用密閉腔比較法，首先在一個剛性的密閉 腔內建立一個較為均勾的聲場環境，將待測壓電檢波器和標準壓電檢波器分時放入腔內相 同的位置，分別的測出壓電檢波器在固定聲壓下的開路電壓，由于在相同的環境下標準壓 電檢波器的開路電壓不會有太大的變化。壓電檢波器多參數測試系統可以記錄該時段內標 準壓電檢波器的開路電壓，為后續繼續測量多組待測壓電檢波器提供對比參數，本發明的 測量待測檢波器靈敏度的方法可以節省制作密閉聲壓腔的體積，大大提高了儀器的便攜特 性。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明的總體結構框圖；
[0025] 圖2是本發明的壓電檢波器測試儀的內部測量控制電路框圖；
[0026] 圖3是本發明的直流電壓和脈沖電壓的產生電路；
[0027] 圖4是本發明的密閉聲壓腔信號源原理框圖；
[0028]圖5是本發明的響應信號處理電路原理圖；
[0029] 圖6是本發明的一種密閉聲壓腔結構示意圖；
[0030] 圖7是本發明的上位機功能的組織關系圖；
[0031 ]圖8是本發明的上位機的測試程序處理流程圖；
[0032]圖9是本發明的上位機的生成報表程序處理流程圖；
[0033]圖10是本發明的實物安裝圖。
[0034] 附圖標記說明：
[0035] 1-待測壓電檢波器;2-密閉聲壓腔;3-揚聲器
【具體實施方式】
[0036] -種便攜式壓電檢波器多參數測試系統，如圖10所示，包括待測壓電檢波器、密閉 聲壓腔、壓電檢波器測試儀、上位機和打印機;所述待測壓電檢波器安裝在密閉聲壓腔頂部 并與所述壓電檢波器測試儀的待測壓電檢波器探頭接口相連接;所述密閉聲腔的一端內置 揚聲器，該揚聲器與所述壓電檢波器測試儀的音頻信號輸出口相連接;該壓電檢波器測試 儀還與上位機相連接，將采樣數據傳輸至上位機進行運算分析;該上位機系統是一款基于 Windows系統開發的上位機軟件，該軟件可以對下位機采樣數據進行分析和運算，對測試結 果及相應測試波形進行顯示保存和打印功能；所述上位機還與打印機相連，用于待測打印 壓電檢波器測試數據報表。
[0037] 所述密閉聲壓腔是用于模擬均勻壓力場環境，其結構如圖6所示，該密閉聲壓墻是 兩端密閉的剛性圓桶，所述剛性圓桶的一端安裝電動式低頻揚聲器。
[0038] 所述壓電檢波器測試儀由外殼及其內部的測量控制電路構成，所述內部的測量控 制電路如圖2所示包括:微機處理器、音頻信號產生電路、音響功放電路、信號激勵模塊、待 測壓電檢波器探頭接口電路、信號處理和通道選擇電路、A/D轉換器、擴展液晶屏接口電路、 RS232接口電路、USB接口電路和電源供電模塊;所述微機處理器分別與音頻信號產生電路 相連接用于控制其產生音頻信號，與音響功放電路相連接用于控制其通斷，與信號激勵模 塊相連接并向其輸出直流控制信號，與A/D轉換器相連接，與信號處理和通道選擇電路相連 接并向其輸出通道選擇控制信號；所述音頻信號產生電路的輸出端與音響功放電路相連 接，該響功放電路的輸出端與所述揚聲器相連接，用于使揚聲器產生外部聲壓激勵信號進 而測量待測壓電檢波器的靈敏度;所述信號激勵模塊的輸出端與待測壓電檢波器探頭接口 電路相連接，所述待測壓電檢波器探頭接口電路與信號處理和通道選擇電路相連接，所述 信號處理和通道選擇電路的輸出端與所述A/D轉換器相連接用于將所述壓電檢波器產生的 相應信號進行放大濾波和阻抗匹配后輸出至A/D轉換器;所述微機處理器還分別與擴展液 晶屏接口電路和RS232接口電路的一端相連接，所述RS232接口電路的另一端與USB接口電 路相連接，用于通過RS232串口轉USB接口的通行方式與上位機進行通信;所述電源供電模 塊與所述微機處理器相連接并為測量控制電路的各個模塊供電。
[0039] 下面分別對所述測量控制電路中音頻產生電路、信號激勵模塊、信號處理和通道 選擇電路中信號處理電路和通道選擇電路的工作原理和作用進行說明：
[0040] (1)音頻產生電路:本實施例的音頻產生電路產生的音頻信號是基于直接數值頻 率合成技術(DDS)，采用型號為AD9833的DDS芯片來產生壓電檢波器測試儀所需的31.5HZ的 正弦波形。如圖4所示，將此正弦波信號通過TDA7492功放板進行功率放大，推動密閉聲壓腔 內的揚聲器形成外部聲壓激勵信號，進而測量待測壓電檢波器的靈敏度。其作用是:使揚聲 器產生外部聲壓激勵信號，進而測量待測壓電檢波器的靈敏度。
[0041] (2)信號激勵模塊:本實施例的信號激勵模塊如圖3所示，由直流電壓產生電路和 脈沖電壓產生電路組成，所述直流電壓產生電路和脈沖電壓產生電路包括D/A轉換器和電 壓跟隨器，所述電壓跟隨器主要由運算放大器組成;所述D/A轉換器采用型號為DAC8562的 D/A轉換器芯片，所述運算放大器采用型號為0PA2111的精密運算放大器芯片。其作用是:通 過直流電壓產生電路產生的直流激勵信號用于測量所述待測壓電檢波器的直流電阻，通過 脈沖電壓產生電路產生的脈沖激勵信號用于測量所述待測壓電檢波器的阻尼系數和自然 頻率。
[0042] (3)通道選擇電路:本實施例的通道選擇電路由模擬開關和繼電器構成，由于對待 測壓電檢波器測試時的激勵有三種，分別是測量電阻時的直流激勵;測量阻尼和自然頻率 的脈沖激勵;測量靈敏度時的外部聲壓激勵。各種激勵信號都是獨立作用于待測壓電檢波 器，因此需要所述通道選擇電路對所述信號激勵模塊的輸出的直流激勵信號和脈沖激勵信 號以及音頻信號產生電路輸出的外部聲壓激勵信號進行分時通斷控制。本實施例中的模擬 開關為高速模擬開關ADG1436。在所述高速模擬開關和繼電器的配合下完成對各種激勵信 號進行分時通斷控制。所述外部聲壓激勵用來測量待測壓電檢波器的靈敏度，所述直流電 壓激勵用來測量待測壓電檢波器變壓器線圈電阻，所述脈沖電壓激勵用來測量待測壓電檢 波器的阻尼系數、自然頻率。
[0043] (4)信號處理電路:本實施例的信號處理電路如圖5所示，包括兩個不同放大系數 的差動放大器和一個運算放大器，所述兩個不同放大系數的差動放大器和所述運算放大器 連接在一起組成兩路輸出的電壓跟隨電路，實現緩沖和隔離的目的。當激勵信號輸出到壓 電檢波器之后，壓電檢波器產生相應的響應信號，在響應信號輸入到A/D轉換器通道之前需 要對該響應信號進行處理。該信號處理電路主要作用是對響應信號進行放大濾波和阻抗匹 配。其工作原理是：由于A/D轉換器的前端電路在測量待測壓電檢波器的極性、電阻、阻尼系 數和自然頻率以及靈敏度時所需的放大倍數是不同的，為了提高A/D轉換器的采樣精準度， 分別采用了兩個不同的放大系數的差動放大器。本發明的信號處理采用INA128差動放大器 芯片，可以濾除共模干擾并進行差動放大。該差動放大器的輸出采用一階低通濾波器，可以 消除響應信號中存在的高頻干擾。然后通過運算放大器組成兩路輸出的電壓跟隨電路，起 緩沖和隔離的作用。本發明的信號處理電路的運算放大器采用0PA2211運算放大器芯片。 [0044]所述差動放大器芯片INA128的增益為：
(9)：
[0046]其中，Rf=10K，Rf = NC(無連接），由此可知，兩路放大信號的放大倍數為6倍和1倍。 [0047]所述電源模塊為±12V/±5V/3.3V直流電源供電模塊;所述微機處理器采用低功 耗單片機MSP430F5438a最小系統模塊芯片;所述A/D轉換器采用18位高精度電荷再分配逐 次逼近式高速模數轉換器AD7634芯片;所述串口通信電路采用MAX3232芯片構成串口通信 電路;所述USB接口電路采用ZE533C型號的USB轉串口數據鏈接線。
[0048] -種便攜式壓電檢波器多參數測試系統的測試方法，包括以下步驟：
[0049] 步驟1、將壓電檢波器測試儀與上位機握手連接后對壓電檢波器測試儀進行校準。 所述步驟1的具體方法為:首先將壓電檢波器測試儀與上位機的通信接口相連接，然后上位 機軟件向該壓電檢波器測試儀發送握手信號，壓電檢波器測試儀通過串口接收到該握手信 號后發送回復信號，若發送的回復信號與接收的握手信號相符，則壓電檢波器測試儀與上 位機握手成功;壓電檢波器測試儀與上位機握手成功后將已知參數的標準壓電檢波器安裝 在密閉聲壓腔頂部的固定位置后將標準壓電檢波器與壓電檢波器測試儀的測試探頭接口 相連接，然后在上位機輸入該標準壓電檢波器的技術指標參數，開啟儀器自動校準功能，若 校準成功則可以測試待測壓電檢波器。
[0050] 步驟2、測試待測壓電檢波器的極性。所述步驟2的具體方法為:將待測壓電檢波器 與壓電檢波器測試儀的測試探頭接口相連接，上位機發出測試待測壓電檢波器極性的指 令，當聽到揚聲器的響聲后按壓待測壓電檢波器的敏感部位一定時間，采樣待測壓電檢波 器輸出的響應波形，并通過上位機進行顯示，分析第一個波峰的極性，如果第一個波峰是正 脈沖則被測壓電檢波器為正極性，如果為負脈沖則被測壓電檢波器為負極性。
[0051] 步驟3、將測試完壓電檢波器極性的待測壓電檢波器安裝在聲壓密閉腔頂部的固 定位置，聲壓檢波器測試儀自動測量待測壓電檢波器的靈敏度、直流電阻、阻尼系數和自然 頻率后在上位機軟件上顯示該測試結果和測試波形，若測試結果不符合相關制造廠家合格 范圍則上位機軟件會顯示相應的指示；
[0052] 步驟4、保存待測壓電檢波器的測試數據并輸出測試報表。所述步驟4的具體方法 為:在上位機數據記錄區域輸入產品編號，單擊記錄數據按鈕將當前的測試數據保存在數 據記錄區域后在上位機報表信息輸入框輸入測試人姓名、產品編號后單擊報表輸出按鈕則 可以將數據記錄區域的歷次測試數據已報表形式輸出。
[0053]下面分別對步驟3的利用聲壓檢波器測試儀自動測量待測壓電檢波器的靈敏度、 直流電阻、阻尼系數和自然頻率的方法進行具體說明：
[0054] (1)測試被測壓電檢波器靈敏度
[0055] 根據GB4130-84規定的頻率在1Hz~3.15KHZ內的壓電檢波器靈敏度的校準方法， 根據校準準確度的不同，可以分為一級校準方法和二級校準方法。其中，一級校準的目的是 為了校準標準壓電傳感器，二級校準的目的是為了校準待測壓電檢波器。通常校準待測壓 電檢波器的主要方法包括振動液柱法和密閉聲壓腔比較法。由于密閉聲壓腔比較法具有裝 置簡單便于攜帶、校準方便、校準精度高和壓電檢波器測試頻率適用性強等優點，本發明中 選用密閉聲壓腔比較法對待測壓電檢波器的靈敏度進行測試。
[0056]密閉腔比較法的測試原理，如圖1所示，首先在一個剛性的密閉腔內建立一個較為 均勻的聲場環境，將待測壓電檢波器和標準壓電檢波器分時放入腔內相同的位置，分別的 測出壓電檢波器在固定聲壓下的開路電壓，由于在相同的環境下標準壓電檢波器的開路電 壓不會有太大的變化。壓電檢波器多參數測試系統可以記錄該時段內標準壓電檢波器的開 路電壓，為后續繼續測量多組待測壓電檢波器提供對比參數，本發明的測量待測檢波器靈 敏度的方法可以節省制作密閉聲壓腔的體積，大大提高了儀器的便攜特性。
[0057]待測壓電檢波器的聲壓靈敏度計算公式為：
(1)
[0059] 上式中Mx為待測壓電檢波器的聲壓靈敏度(iiVAiPa);Ms為標準壓電檢波器的聲壓 靈敏度(yV/iiPa) ;Ux為待測壓電檢波器輸出端的開路電壓(iiV) ;Us為標準壓電檢波器輸出 端的開路電壓(yv)。
[0060] 測量待測壓電檢波器靈敏度時，所述信號處理和通道選擇電路選擇相應靈敏度測 量通道，微機處理器控制所述音頻信號產生電路產生音頻信號(DDS正弦波信號），將該DDS 正弦波信號通過音響功放電路進行功率放大，推動密閉聲壓腔內的揚聲器在密閉聲壓腔內 形成外部聲壓激勵信號，揚聲器發聲，激勵待測壓電檢波器輸出響應，A/D轉換器采樣待測 壓電檢波器的輸出響應，通過串口轉USB模塊傳到上位機進行運算分析。
[0061] (2)測試被測壓電檢波器阻尼系數和自然頻率
[0062] 所述信號處理和通道選擇電路選擇阻尼系數和自然頻率測量通道，微機處理器控 制音響功放電路斷開，揚聲器停止發聲;微機處理器控制信號激勵模塊產生脈沖激勵信號 激勵待測壓電檢波器輸出響應，A/D轉換器采樣待測壓電檢波器的輸出響應，通過串口轉 USB模塊傳到上位機進行運算分析。
[0063]其具體測試過程是:微機處理器的通道選擇電路將模擬開關切換到測量阻尼系數 和自然頻率通道，D/A轉換器產生的直流激勵電壓的大小約為1.4V左右，等檢波器電壓穩定 后，模擬開關斷開激勵電壓，這樣壓電檢波器的壓電陶瓷片和變壓器線圈所構成的二階電 路發生RLC震蕩，與此同時開啟A/D采樣器，采集響應波形，通過上位機計算會得到阻尼系 數、自然頻率兩項參數。
[0064]根據待測壓電檢波器的結構分析，可以得出壓電檢波器的力學結構為二階力學系 統模型，因此采用的方法是直流激勵法，即采樣檢波器在直流激勵作用下的輸出響應進行 相關運算。其運動方程和輸出方程為： (2)
[0066]上式中，t多0是零輸入響應時間;m是壓電檢波器壓電陶瓷片的質量；e(_t)是單位 階躍函數，t彡0時，e(-t) = l，t彡0時，e(-t)=0;c是壓電檢波器的阻尼系數;k是壓電檢波 器的組合剛度;是壓電檢波器的靈敏度;x是壓電陶瓷的形變位移量;1〇是激勵電流幅度； e(t)是直流激勵時域響應函數;X是x的二階偏導；i：是x的一階偏導。
[0067]由上述式(2)可以推導出待測壓電檢波器的輸出方程為：
⑶
[0069] 上式中，m是被測壓電檢波器壓電陶瓷片的質量;cme是壓電檢波器靈敏度；1〇是加 在壓電檢波器兩端的電流值;B t是壓電檢波器的相對阻尼系數；coq是壓電檢波器的固有角 頻率;e為自然常數。
[0070] 在壓電檢波器直流激勵響曲線中的Ai、A2分別代表第一個波峰和第二個波谷的幅 度，對公式(3)進行求導并且令Y (t)=0,可以得到下式：
(4)
[0072]其中，exp是以自然常數e為底的指數函數。
[0073]將式(4)進一步化簡，可以得到水聽器的相對阻尼系數為式：
(5)
[0075]對于自然頻率Fn，T是直流激勵響曲線的起始點和第一次過零點之間的時間，令e ("=〇,可得到-式2，) = 0 由于T是第一次經過零點的時間，可得出 IT = ;r油此可知自然頻率Fn的計算公式為：
[0077]由以上分析推導我們得到了水聽器的阻尼系數和自然頻率的參數計算方法，通過 式(5)和(6)以及壓電檢波器直流激勵響曲線，在采集水聽器的直流激勵響應之后，我們提 取出!\^、知三個數據信息，便可以方便地計算出水聽器的阻尼和自然頻率。
[0078] (3)測試被測壓電檢波器直流電阻
[0079]所述信號處理和通道選擇電路選擇直流電阻測量通道，調整信號激勵模塊內D/A 轉換器的激勵電壓，微機處理器控制音響功放電路斷開，揚聲器停止發聲;微機處理器控制 信號激勵模塊產生穩定的直流電壓激勵信號激勵待測壓電檢波器輸出響應，A/D轉換器采 樣待測壓電檢波器的輸出響應，通過串口轉USB模塊傳到上位機進行運算分析。
[0080]本實施例中采用恒壓法測量電阻，先采集未接待測壓電檢波器的電壓也就是開路 時恒壓源的電壓U;再切換模擬開關將待測壓電檢波器接入電路之中，采集壓電檢波器兩端 的電壓u，由于電路中的已知電阻為精密電阻，其阻值為r，因此可以非常容易得到壓電檢波 器的直流電阻R，其計算公式為：
C7)
[0082] 將式(7)化簡得到：
(8)
[0084]本實施例中，上位機功能的組織關系如圖7所示，上位機的功能主要以人機接口界 面的形式體現出來，人機界面是用戶的操作界面，它可以完整的體現出測試儀的功能，以此 界面為框架來添加相應的算法程序來完成具體的測試功能。測試儀的主界面主要包括：串 口配置，測試值顯示區域，測試閾值指示，校準設置，數據記錄區域，報表生成設置。
[0085]本實施例中，上位機的處理程序流程如圖8和圖9所示，開啟上位機軟件后，首先需 要對相關設置進行初始化，主要包括串口的初始化，校準上位機等。程序主要包括兩個部 分:第一部分主要對串口發送過來的相關測試數據進行處理后，對測試值和測試波形進行 顯示以及對測試結果進行分析判斷。第二部分是保存多組測試結果，按照用戶的要求生成 相應的測試報告。初始化上位機后發送測試指令，串口監視器開始工作，當緩沖區字符達到 設定值時產生中斷。讀取串口發送過來的數據包后發送消息給相應消息處理函數進行數據 的處理和分析，然后在界面上顯示出來。如果對數據有保存需要可以將數據保存在數據保 存區域，可以填寫用戶信息后生成測試報表。
[0086]需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發明包 括并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案 得出的其他實施方式，同樣屬于本發明保護的范圍。
【主權項】
1. 一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統，包括待測壓電檢波器、密閉聲壓腔、壓電檢 波器測試儀和上位機;其特征在于:所述待測壓電檢波器安裝在密閉聲壓腔頂部并與所述 壓電檢波器測試儀的待測壓電檢波器探頭接口相連接;所述密閉聲腔的一端內置揚聲器， 該揚聲器與所述壓電檢波器測試儀的音頻信號輸出口相連接;該壓電檢波器測試儀還與上 位機相連接，將采樣數據傳輸至上位機進行運算分析;所述壓電檢波器測試儀由外殼及其 內部的測量控制電路構成，所述內部的測量控制電路包括:微機處理器、音頻信號產生電 路、音響功放電路、信號激勵模塊、待測壓電檢波器探頭接口電路、信號處理和通道選擇電 路、A/D轉換器和電源供電模塊;所述微機處理器分別與音頻信號產生電路相連接用于控制 其產生音頻信號，與音響功放電路相連接用于控制其通斷，與信號激勵模塊相連接并向其 輸出直流控制信號，與A/D轉換器相連接，與信號處理和通道選擇電路相連接并向其輸出通 道選擇控制信號;所述音頻信號產生電路的輸出端與音響功放電路相連接，該響功放電路 的輸出端與所述揚聲器相連接，用于使揚聲器產生外部聲壓激勵信號進而測量待測壓電檢 波器的靈敏度;所述信號激勵模塊的輸出端與待測壓電檢波器探頭接口電路相連接，所述 待測壓電檢波器探頭接口電路與信號處理和通道選擇電路相連接，所述信號處理和通道選 擇電路的輸出端與所述A/D轉換器相連接用于將所述壓電檢波器產生的響應信號進行放大 濾波和阻抗匹配后輸出至A/D轉換器;所述電源供電模塊與所述微機處理器相連接并為測 量控制電路的各個模塊供電。2. 根據權利要求1所述的一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統，其特征在于:所述信 號激勵模塊由直流電壓產生電路和脈沖電壓產生電路組成，所述直流電壓產生電路和脈沖 電壓產生電路包括D/A轉換器和電壓跟隨器，所述電壓跟隨器主要由運算放大器組成;所述 直流電壓產生電路產生的直流激勵信號用于測量所述待測壓電檢波器的直流電阻，所述脈 沖電壓產生電路產生的脈沖激勵信號用于測量所述待測壓電檢波器的阻尼系數和自然頻 率。3. 根據權利要求1或2所述的一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統，其特征在于:所 述信號處理和通道選擇電路的信號處理電路包括兩個不同放大系數的差動放大器和一個 運算放大器，所述兩個不同放大系數的差動放大器和所述運算放大器連接在一起組成兩路 輸出的電壓跟隨電路，實現緩沖和隔離的目的。4. 根據權利要求1或2所述的一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統，其特征在于:所 述信號處理和通道選擇電路的通道選擇電路由模擬開關和繼電器構成，用于對所述信號激 勵模塊的輸出的直流激勵信號和脈沖激勵信號以及音頻信號產生電路輸出的外部聲壓激 勵信號進行分時通斷控制。5. 根據權利要求1或2所述的一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統，其特征在于:所 述微機處理器還分別與擴展液晶屏接口電路和RS232接口電路的一端相連接，所述RS232接 口電路的另一端與USB接口電路相連接，用于用于通過RS232串口轉USB接口的通行方式與 上位機進行通信。6. 根據權利要求1或2所述的一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統，其特征在于:所 述密閉聲壓腔是用于模擬均勻壓力場環境的兩端密閉的剛性圓桶，所述剛性圓桶的一端安 裝電動式低頻揚聲器。7. -種如權利要求1-6任一項所述的一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統的測試方 法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1、將壓電檢波器測試儀與上位機握手連接后對壓電檢波器測試儀進行校準； 步驟2、測試待測壓電檢波器的極性； 步驟3、將測試完壓電檢波器極性的待測壓電檢波器安裝在聲壓密閉腔頂部的固定位 置，聲壓檢波器測試儀自動測量待測壓電檢波器的靈敏度、直流電阻、阻尼系數和自然頻率 后在上位機軟件上顯示該測試結果和測試波形，若測試結果不符合相關制造廠家合格范圍 則上位機軟件會顯示相應的指示； 步驟4、保存待測壓電檢波器的測試數據并輸出測試報表。8. 根據權利要求7所述的一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統的測試方法，其特征 在于:所述步驟1的具體方法為:首先將壓電檢波器測試儀與上位機的通信接口相連接，然 后上位機軟件向該壓電檢波器測試儀發送握手信號，壓電檢波器測試儀通過串口接收到該 握手信號后發送回復信號，若發送的回復信號與接收的握手信號相符，則壓電檢波器測試 儀與上位機握手成功;壓電檢波器測試儀與上位機握手成功后將已知參數的標準壓電檢波 器安裝在密閉聲壓腔頂部的固定位置后將標準壓電檢波器與壓電檢波器測試儀的測試探 頭接口相連接，然后在上位機輸入該標準壓電檢波器的技術指標參數，開啟儀器自動校準 功能，若校準成功則可以測試待測壓電檢波器。9. 根據權利要求7或8所述的一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統的測試方法，其特 征在于:所述步驟2的具體方法為:將待測壓電檢波器與壓電檢波器測試儀的測試探頭接口 相連接，上位機發出測試待測壓電檢波器極性的指令，當聽到揚聲器的響聲后按壓待測壓 電檢波器的敏感部位一定時間，采樣待測壓電檢波器輸出的響應波形，并通過上位機進行 顯示，分析第一個波峰的極性，如果第一個波峰是正脈沖則被測壓電檢波器為正極性，如果 為負脈沖則被測壓電檢波器為負極性。10. 根據權利要求7或8所述的一種便攜式壓電檢波器多參數測試系統的測試方法，其 特征在于:所述步驟4的具體方法為:在上位機數據記錄區域輸入產品編號，單擊記錄數據 按鈕將當前的測試數據保存在數據記錄區域后在上位機報表信息輸入框輸入測試人姓名、 產品編號后單擊報表輸出按鈕則可以將數據記錄區域的歷次測試數據已報表形式輸出。
【文檔編號】G01V13/00GK105891907SQ201610223711
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月12日
【發明人】李建良, 李濛, 劉波雨, 曲喆, 李淑清
【申請人】天津科技大學