功率放大器应用--压电陶瓷阻抗测试

常见的阻抗器件多为非线性，如金属氧化物和金属铂等电阻器件的阻抗--温度曲线便是典型的非线性曲线。超声波电机的压电陶瓷定子的阻抗特性，其工作电压一般在100V峰峰值以上，且阻抗模值存在谐振点和反谐振点，谐振点处阻抗最小，反谐振点处阻抗最大，本文利用基本的大电阻并联及小电阻串联式电压电流表原理，基于LabVIEW程序和配套的NIPXI模块化仪器设计测试系统，对压电陶瓷定子进行了不同激励电压幅值下的扫频阻抗测定，分析了其谐振点和反谐振点频率，以及不同激励电压幅值下的图像偏移。

基于LabVIEW的工作电压下压电陶瓷阻抗测试，测试系统如下：

实验过程：

测试系统主要由LabVIEW程序，模块化仪器信号发生器、功率放大器，调理分压电路和模块化仪器数据采集卡组成。首先计算机程序控制信号发生器扫频的起止频率、电压幅值等，再由功率放大器将电压按照指定的比例放大至所需的电压幅值，加到待测阻抗上，再由调理分压电路将电压和电流线性放大或缩小至采集卡的量程以内，由数据采集卡采集电压电流等数据，并再LabVIEW内部处理数据。

测试结果：

(1)功率放大器对压电陶瓷定子进行不同电压幅值的单相激励源测试，在20V下测定得到的阻抗模值和阻抗角随频率变化的图像：

(2)利用本系统对较高工作电压120V峰峰值下的压电陶瓷进行阻抗测定：

从测定图像可看出，在20V和120V工作电压下，阻抗模值图像均反映出谐振点和反谐振点，谐振点处阻抗模值最小，反谐振点处最大。阻抗角在谐振频率和反谐振频率之间产生了跳变，其余频段始终处于-90°左右。

比较不同电压的测定图像可以发现，高电压下阻抗特性曲线略微有所偏移，谐振点的频率略微有所左移，从20V时的77.7KHz，偏移到了120V时的77.2KHz左右，这说明，压电陶瓷在不同电压激励情况下，谐振点的频率会发生偏移，随着电压逐渐升高谐振频率点回逐渐下降，意味着正常工作电压阻抗特性测试的结果会更加准确；无论电压幅值如何，阻抗角峰值均在50°~60°左右。根据电路基本定理可知，在谐振频率和反谐振频率之间，压电陶瓷为阻容或阻感特性，对外界做机械有功，其他频率段始终为-90°的纯容性特性，不对外做功。