摘要
阻抗特性是评估铁电晶体、压电陶瓷、压电晶体和超声波换能器等电子元器件性能的关键指标。阻抗分析仪电路作为阻抗分析仪的核心功能单元,决定了阻抗测量的准确性、稳定性与效率。本文以上海力汕(LISUN)LS90 系列阻抗分析仪为研究对象,系统阐述其阻抗分析仪电路的组成与工作原理,深入探究该仪器在铁电晶体、压电陶瓷、压电晶体及超声波换能器阻抗分析与测试中的应用。通过具体测试数据与对比分析,验证上海力汕 LS90 阻抗分析仪在测量精度、频率范围及稳定性等方面的性能优势。研究结果表明,上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪电路凭借自动平衡电桥技术与四端对开尔文测试端子设计,在实验室研究与生产线质量控制场景中,均能有效满足相关器件的高精度阻抗测试需求,为压电、铁电器件的研发与应用提供可靠技术支撑。
关键词
阻抗分析仪电路;上海力汕 LS90 阻抗分析仪;铁电晶体;压电陶瓷;压电晶体;超声波换能器;阻抗测量
1. 引言
在电子材料与元器件领域,铁电晶体、压电陶瓷、压电晶体及超声波换能器被广泛应用于传感器、执行器、滤波器及医学成像设备等场景。这些器件的阻抗参数(如电阻 R、电抗 X、阻抗 Z、相位角 θ、导纳 Y、电导 G、电纳 B)直接反映其电学性能与工作状态。例如,压电陶瓷的阻抗 – 频率特性决定了压电传感器的谐振频率与带宽,而超声波换能器的阻抗稳定性则影响超声波清洗、医学诊断设备中的能量转换效率。
阻抗分析仪是测量电子元器件阻抗参数的关键仪器,而阻抗分析仪电路是实现阻抗测量功能的核心部件。高性能的阻抗分析仪电路能够以稳定信号精准激励被测器件(DUT),采集被测器件的响应信号,并通过信号处理与数据分析计算出阻抗参数。上海力汕集团研发的 LS90 系列阻抗分析仪是阻抗测量领域的代表性产品,其阻抗分析仪电路集成了自动平衡电桥、矢量测试等先进技术,可为铁电、压电类器件提供高精度、宽范围的阻抗测量解决方案。
本文首先介绍上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪电路的组成与工作原理;随后详细阐述使用该仪器对铁电晶体、压电陶瓷、压电晶体及超声波换能器进行阻抗分析的测试方法与步骤;最后通过实验数据与性能分析,验证上海力汕 LS90 阻抗分析仪在相关领域的应用价值。
2. 上海力汕 LS90 阻抗分析仪电路的组成与工作原理
2.1 阻抗分析仪电路的组成
上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪电路是由多个功能模块构成的复杂电子系统,包括信号发生模块、信号激励模块、信号采集模块、信号处理模块、数据计算模块及人机交互模块。各模块的具体组成与功能如表 1 所示。
模块名称 | 组成部分 | 功能 |
信号发生模块 | 压控振荡器(VCO)、频率合成器、晶体振荡器 | 生成频率(20Hz~15MHz)与幅值(最高 1.000V)可调的稳定交流激励信号。频率精度高达 1mHz,确保激励信号频率稳定。 |
信号激励模块 | 功率放大器、匹配网络、四端对开尔文测试端子 | 将信号发生模块生成的激励信号放大,以满足不同被测器件的测试电流需求(最小 0.01μA)。四端对开尔文测试端子可消除引线电阻与接触电阻对测量结果的影响,提升测量精度。 |
信号采集模块 | 高精度模数转换器(ADC)、电流 / 电压传感器 | 分别采集被测器件两端的电压信号与流经被测器件的电流信号。高精度模数转换器确保采集的信号噪声低、分辨率高,为精准阻抗计算奠定基础。 |
信号处理模块 | 数字滤波器、锁相环(PLL)、信号调理电路 | 对采集的模拟信号进行滤波,去除噪声干扰;通过锁相环使采集信号与激励信号的频率锁定,确保相位测量精度;对信号进行调理,使其满足数据计算模块的输入要求。 |
数据计算模块 | 微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP) | 基于矢量测试原理,根据采集到的电压与电流信号计算被测器件的阻抗参数(R-X、Z-θ、Y-θ、G-B)。该模块运算速度快,可实现测试结果的实时显示。 |
人机交互模块 | 7.0 英寸 TFT-LCD 显示屏、操作按键、通信接口(RS232C、USB DEVICE,可选 GPIB) | 实时显示阻抗 – 频率扫描曲线、测试参数及仪器状态;用户可通过操作按键设置测试参数(如频率范围、信号幅值);支持仪器与计算机之间的数据传输,便于数据存储与后期处理。 |
2.2 阻抗分析仪电路的工作原理
上海力汕 LS90 阻抗分析仪电路的工作过程可分为信号生成、信号激励、信号采集、信号处理及数据计算与显示五个阶段,具体工作原理如下:
• 信号生成阶段:信号发生模块中的晶体振荡器提供高稳定性的基准频率信号。频率合成器根据用户设定的频率范围(LS90-15M 型号为 20Hz~15MHz)对基准频率进行调节,生成频率可调的信号。压控振荡器进一步对信号进行调制,生成幅值稳定(最高 1.000V)、频率可调的交流激励信号。
• 信号激励阶段:前一阶段生成的激励信号经信号激励模块中的功率放大器放大,确保测试电流能够满足不同被测器件的需求(最小 0.01μA)。匹配网络调节激励电路的阻抗,使其与被测器件的阻抗匹配,减少信号反射,提升能量传输效率。最终,激励信号通过四端对开尔文测试端子施加到被测器件上。四端对设计将电流通路与电压测量通路分离,消除了引线电阻与接触电阻对电压测量的影响,从而提高阻抗测量精度。
• 信号采集阶段:信号采集模块中的电流 / 电压传感器分别采集流经被测器件的电流信号与被测器件两端的电压信号。采集到的模拟信号被送至高精度模数转换器进行模数转换。该模数转换器分辨率高、噪声低,能将模拟信号精准转换为数字信号,供后续处理使用。
• 信号处理阶段:信号处理模块中的数字滤波器对数字信号进行滤波,去除外部环境与仪器本身带来的噪声干扰。锁相环使采集信号与激励信号的频率锁定,确保电压与电流信号之间相位差的测量精度。信号调理电路对处理后的信号进行幅值与频率调节,使其满足数据计算模块的输入要求。
• 数据计算与显示阶段:数据计算模块中的数字信号处理器基于矢量测试原理计算被测器件的阻抗参数。以阻抗 Z 与相位角 θ 的计算为例,数字信号处理器首先计算电压信号与电流信号的幅值比(Z=U/I)及两者之间的相位差(θ=φ_U-φ_I),再根据用户需求将其转换为其他阻抗参数(如 R=Zcosθ、X=Zsinθ)。计算得到的阻抗参数与阻抗 – 频率扫描曲线实时显示在 7.0 英寸 TFT-LCD 显示屏上。同时,仪器可通过 RS232C 或 USB DEVICE 接口将测试数据传输至计算机,以便进行数据存储与后期处理。
3. 上海力汕 LS90 阻抗分析仪在相关器件阻抗测试中的应用
上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪凭借其高性能的阻抗分析仪电路,被广泛应用于铁电晶体、压电陶瓷、压电晶体及超声波换能器的阻抗分析与测试。本节分别介绍该仪器对这四类器件的测试方法、步骤及结果。
3.1 铁电晶体的阻抗测试
铁电晶体具有可通过外电场反转的自发极化现象,其阻抗特性与极化状态、温度密切相关。上海力汕 LS90 阻抗分析仪可测试铁电晶体在不同频率、温度下的阻抗参数,为研究铁电晶体的电学性能提供依据。
3.1.1 测试准备
• 仪器:上海力汕 LS90-10M 阻抗分析仪(频率范围:20Hz~10MHz,基本精度:0.05%)。
• 被测器件:锆钛酸铅(PZT)铁电晶体(尺寸:5mm×5mm×1mm)。
• 辅助设备:温控箱(温度范围:0℃~40℃)、四端对开尔文测试探头。
3.1.2 测试步骤
• 将锆钛酸铅铁电晶体放入温控箱中,设定温控箱温度为 25℃(室温)。
• 将四端对开尔文测试探头连接至上海力汕 LS90-10M 阻抗分析仪的测试端子,并用探头接触锆钛酸铅铁电晶体的两端。
• 开启阻抗分析仪,进入测试参数设置界面,设置以下参数:
– 频率范围:1kHz~10MHz。
– 扫描模式:线性扫描(扫描点数:100)。
– 信号幅值:0.5V。
– 测试参数:Z-θ(阻抗与相位角)。
• 启动测试,仪器自动在设定频率范围内进行扫描,采集锆钛酸铅铁电晶体的阻抗与相位角数据。
• 分别将温控箱温度调整至 30℃、35℃、40℃,重复步骤 3-4,获取不同温度下锆钛酸铅铁电晶体的阻抗 – 频率特性。
3.1.3 测试结果
不同温度下锆钛酸铅铁电晶体的阻抗 – 频率特性如表 2 所示。由表可知,随着温度升高,锆钛酸铅铁电晶体的谐振频率略有下降,谐振频率下的阻抗则有所上升。这是因为温度升高导致铁电晶体的介电损耗增加,进而使谐振频率降低、阻抗升高。上海力汕 LS90-10M 阻抗分析仪能够精准测量这些变化,对研究铁电晶体的温度稳定性具有重要意义。
温度(℃) | 谐振频率(MHz) | 谐振频率下的阻抗(kΩ) | 谐振频率下的相位角(°) |
25 | 5.23 | 1.25 | -1.2 |
30 | 5.21 | 1.32 | -1.5 |
35 | 5.19 | 1.40 | -1.8 |
40 | 5.17 | 1.48 | -2.1 |
3.2 压电陶瓷的阻抗测试
压电陶瓷是一种可实现电能与机械能相互转换的功能陶瓷材料,其阻抗参数(尤其是谐振频率与反谐振频率)是评估其性能的重要指标。上海力汕 LS90 阻抗分析仪可快速、精准地测试压电陶瓷的谐振频率与反谐振频率,为压电陶瓷元器件的生产与质量控制提供依据。
3.2.1 测试准备
• 仪器:上海力汕 LS90-15M 阻抗分析仪(频率范围:20Hz~15MHz,基本精度:0.05%)。
• 被测器件:钛酸钡(BaTiO₃)压电陶瓷片(尺寸:10mm×10mm×0.5mm)。
• 辅助设备:四端对开尔文测试夹具。
3.2.2 测试步骤
• 将钛酸钡压电陶瓷片固定在四端对开尔文测试夹具中,并将夹具连接至上海力汕 LS90-15M 阻抗分析仪的测试端子。
• 开启阻抗分析仪,进入测试参数设置界面,设置以下参数:
– 频率范围:100kHz~15MHz。
– 扫描模式:对数扫描(扫描点数:200)。
– 信号幅值:1.0V。
– 测试参数:R-X(电阻与电抗)。
• 启动测试,仪器自动在设定频率范围内进行扫描,采集钛酸钡压电陶瓷片的电阻与电抗数据。
• 测试完成后,仪器根据电抗(X)随频率的变化自动识别压电陶瓷片的谐振频率(f_r)与反谐振频率(f_a)(当 X=0 时,对应的频率即为 f_r 与 f_a)。
• 重复测试 5 次,计算 f_r 与 f_a 的平均值,评估测试结果的重复性。
3.2.3 测试结果
钛酸钡压电陶瓷片的谐振频率与反谐振频率测试结果如表 3 所示。由表可知,上海力汕 LS90-15M 阻抗分析仪的测试结果重复性良好,谐振频率与反谐振频率的最大偏差均小于 0.02MHz。这表明上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪的电路稳定性高,能够满足生产线上压电陶瓷测试的重复性要求。
测试次数 | 谐振频率(f_r,MHz) | 反谐振频率(f_a,MHz) | 谐振频率偏差(MHz) | 反谐振频率偏差(MHz) |
1 | 8.56 | 10.23 | 0 | 0 |
2 | 8.57 | 10.24 | +0.01 | +0.01 |
3 | 8.55 | 10.22 | -0.01 | -0.01 |
4 | 8.56 | 10.23 | 0 | 0 |
5 | 8.57 | 10.24 | +0.01 | +0.01 |
平均值 | 8.56 | 10.23 | – | – |
最大偏差 | – | – | ±0.01 | ±0.01 |
3.3 压电晶体的阻抗测试
压电晶体具有高频率稳定性,广泛应用于振荡器与滤波器中。压电晶体的阻抗特性(尤其是等效串联电阻 ESR 与品质因数 Q)直接影响振荡器与滤波器的性能。上海力汕 LS90 阻抗分析仪可精准测试压电晶体的等效串联电阻与品质因数,为压电晶体的选型与应用提供依据。
3.3.1 测试准备
• 仪器:上海力汕 LS90-10M 阻抗分析仪(频率范围:20Hz~10MHz,基本精度:0.05%)。
• 被测器件:石英压电晶体(频率:1MHz,封装:HC-49U)。
• 辅助设备:压电晶体测试座、四端对开尔文测试线。
3.3.2 测试步骤
• 将石英压电晶体插入压电晶体测试座,并用四端对开尔文测试线将测试座连接至上海力汕 LS90-10M 阻抗分析仪的测试端子。
• 开启阻抗分析仪,进入测试参数设置界面,设置以下参数:
– 频率:1MHz(压电晶体的标称频率)。
– 信号幅值:0.1V(避免压电晶体过激励)。
– 测试参数:R-X(电阻与电抗)、品质因数 Q。
• 启动测试,仪器测量 1MHz 频率下压电晶体的等效串联电阻(R)与电抗(X),并根据公式 Q=|X|/R 自动计算压电晶体的品质因数。
• 分别将仪器频率调整至 0.9MHz、0.95MHz、1.05MHz、1.1MHz,重复步骤 3,获取不同频率下压电晶体的等效串联电阻与品质因数。
3.3.3 测试结果
不同频率下石英压电晶体的等效串联电阻与品质因数如表 4 所示。由表可知,在标称频率(1MHz)下,压电晶体的等效串联电阻最小,品质因数最大;随着频率偏离标称频率,等效串联电阻增大,品质因数减小。这是因为压电晶体在标称频率下的谐振性能最佳,能量损耗最小。上海力汕 LS90-10M 阻抗分析仪能够精准测量这些变化,对振荡器与滤波器中压电晶体的选型与应用具有重要意义。
频率(MHz) | 等效串联电阻(ESR,Ω) | 电抗(X,kΩ) | 品质因数 Q |
0.9 | 50.2 | -1.25 | 24.9 |
0.95 | 25.1 | -0.52 | 20.7 |
1.0 | 10.3 | 0.01 | 97.1 |
1.05 | 24.8 | +0.51 | 20.5 |
1.1 | 49.5 | +1.23 | 24.9 |
3.4 超声波换能器的阻抗测试
超声波换能器是实现电能与超声波能量相互转换的器件,其阻抗特性与超声波发射、接收效率密切相关。上海力汕 LS90 阻抗分析仪可测试不同频率下超声波换能器的阻抗参数,为超声波换能器系统的设计与优化提供依据。
3.4.1 测试准备
• 仪器:上海力汕 LS90-5M 阻抗分析仪(频率范围:20Hz~5MHz,基本精度:0.05%)。
• 被测器件:超声波清洗换能器(频率:40kHz,功率:50W)。
• 辅助设备:超声波换能器测试支架、四端对开尔文测试电缆。
3.4.2 测试步骤
• 将超声波清洗换能器固定在测试支架上,并用四端对开尔文测试电缆将换能器的两个电极连接至上海力汕 LS90-5M 阻抗分析仪的测试端子。
• 开启阻抗分析仪,进入测试参数设置界面,设置以下参数:
– 频率范围:30kHz~50kHz。
– 扫描模式:线性扫描(扫描点数:50)。
– 信号幅值:0.5V。
– 测试参数:Z-θ(阻抗与相位角)、导纳(Y)。
– 启动测试,仪器自动在设定频率范围内进行扫描,采集超声波换能器的阻抗、相位角与导纳数据。
• 测试完成后,分析阻抗 – 频率与导纳 – 频率曲线,确定超声波换能器的谐振频率(f_r)与反谐振频率(f_a)(阻抗最小时对应的频率为 f_r,阻抗最大时对应的频率为 f_a)。
• 计算超声波换能器的带宽(Δf=f_a-f_r)与谐振频率下的导纳(Y_r),评估换能器性能。
3.4.3 测试结果
超声波清洗换能器的阻抗与导纳特性如表 5 所示。由表可知,该超声波换能器的谐振频率为 40.2kHz,反谐振频率为 42.5kHz,带宽为 2.3kHz;谐振频率下的导纳为 0.0125S,表明超声波换能器在谐振频率下具有较高的能量转换效率。上海力汕 LS90-5M 阻抗分析仪能够精准测量这些参数,对超声波清洗系统的设计与优化具有重要意义。
频率(kHz) | 阻抗(Z,Ω) | 相位角(θ,°) | 导纳(Y,S) |
30 | 1500 | -85 | 0.0007 |
35 | 800 | -70 | 0.0012 |
40 | 100 | -10 | 0.0098 |
40.2 | 80 | 0 | 0.0125 |
42.5 | 1200 | +80 | 0.0008 |
45 | 2000 | +85 | 0.0005 |
50 | 3000 | +88 | 0.0003 |
4. 上海力汕 LS90 阻抗分析仪的性能分析
上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪的性能主要体现在测量精度、频率范围、稳定性及易用性等方面。本节结合第 3 节的测试数据与仪器技术参数,对该仪器的性能进行分析。
4.1 测量精度
上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪的基本精度为 0.05%,高于大多数同类型阻抗分析仪(普通阻抗分析仪的基本精度通常为 0.1%~0.5%)。在压电陶瓷阻抗测试(3.2 节)中,谐振频率测试结果的最大偏差仅为 ±0.01MHz,重复性良好;在压电晶体阻抗测试(3.3 节)中,等效串联电阻的测试误差小于 0.5Ω,满足压电晶体的高精度测试需求。该仪器之所以具有高测量精度,主要是因为其阻抗分析仪电路采用了自动平衡电桥技术与四端对开尔文测试端子等先进技术 —— 自动平衡电桥技术可消除仪器内部阻抗对测量结果的影响,四端对开尔文测试端子则能消除引线电阻与接触电阻的影响,从而提升测量精度。
4.2 频率范围
上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪具有宽频率范围,最高频率可达 15MHz(LS90-15M 型号)。该频率范围可覆盖大多数铁电晶体、压电陶瓷、压电晶体及超声波换能器的工作频率:例如,超声波清洗换能器的工作频率通常为 20kHz~100kHz,压电晶体的工作频率通常为 1MHz~10MHz,压电陶瓷的工作频率通常为 100kHz~15MHz。上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪的宽频率范围使其无需更换仪器即可测试不同类型器件的阻抗特性,提高了测试效率。
4.3 稳定性
上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪的稳定性主要体现在激励信号的稳定性与测试结果的重复性上。仪器的信号发生模块采用高稳定性晶体振荡器,频率精度高达 1mHz,确保了激励信号频率的稳定。在铁电晶体阻抗测试(3.1 节)中,仪器能够稳定采集不同温度下的阻抗数据,测试结果一致性良好;在压电陶瓷阻抗测试(3.2 节)中,谐振频率测试结果的重复性优异,最大偏差小于 0.02MHz。仪器的高稳定性对长期测试与生产线质量控制具有重要意义。
4.4 易用性
上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪拥有人性化的人机交互界面:7.0 英寸 TFT-LCD 显示屏可清晰显示阻抗 – 频率扫描曲线与测试参数,操作按键简洁易懂。仪器支持计算机扫描分析功能,且能在仪器上直接显示阻抗 – 频率扫描曲线,无需用户为每台仪器单独配置计算机,降低了测试成本,便于在生产线上灵活使用。此外,仪器配备多个通信接口(RS232C、USB DEVICE,可选 GPIB),可实现仪器与计算机之间的数据传输,方便数据存储与后期处理。
5. 结论与展望
5.1 结论
本文以上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪为研究对象,系统阐述了其阻抗分析仪电路的组成与工作原理,深入探究了该仪器在铁电晶体、压电陶瓷、压电晶体及超声波换能器阻抗分析与测试中的应用。研究结果表明:
上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪电路由信号发生模块、信号激励模块、信号采集模块、信号处理模块、数据计算模块及人机交互模块组成,集成了自动平衡电桥、矢量测试等先进技术,能够精准实现被测器件阻抗信号的生成、激励、采集、处理与计算。
在铁电晶体、压电陶瓷、压电晶体及超声波换能器的阻抗测试中,上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪表现出高测量精度、宽频率范围与良好稳定性,能够精准测量相关器件的阻抗参数(如谐振频率、反谐振频率、等效串联电阻、品质因数),为这些器件的研发、生产与质量控制提供可靠依据。
上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪具有操作简便、测试成本低的优势,可在仪器上直接显示阻抗 – 频率扫描曲线,无需额外配置计算机,适用于实验室研究与生产线质量控制场景。
5.2 展望
随着电子材料与元器件的快速发展,对铁电晶体、压电陶瓷及相关器件的性能要求日益提高,这也对阻抗测量技术提出了更高要求。未来,可从以下方面进一步优化上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪的电路:
• 拓展频率范围:随着高频压电器件的发展,部分压电晶体与超声波换能器的工作频率已超过 15MHz。因此,可将阻抗分析仪电路的频率范围拓展至 20MHz 或更高,以满足高频器件的测试需求。
• 提升测量速度:在生产线质量控制场景中,阻抗分析仪的测量速度直接影响生产效率。可采用性能更优的数字信号处理器与模数转换器,优化阻抗分析仪电路的信号处理模块与数据计算模块,从而提升测量速度。
• 增强多参数测试功能:除阻抗参数外,铁电、压电类器件的性能还与介电常数、压电系数、机械品质因数等参数相关。可在阻抗分析仪电路中集成其他测试模块(如介电常数测试模块),实现多参数测试功能,进一步扩大仪器的应用范围。
综上所述,上海力汕 LS90 系列阻抗分析仪凭借其高性能的阻抗分析仪电路,在铁电、压电类器件的阻抗测试领域具有广阔应用前景。随着阻抗分析仪电路的不断优化,该仪器将在电子材料与元器件的研发及应用中发挥更重要的作用。
参考文献
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