CN108732210B - 一种基于阻抗谱的压电器件结构缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻抗谱的压电器件结构缺陷检测方法，属于电子技术领域，本发明使用了差异因子来量化不同压电器件之间阻抗谱的差异，通过对一批已知合格和已知不合格样品的差异因子作统计，得到可用于缺陷检测的标准阻抗谱以及阈值。测试新样品的阻抗谱并计算其与标准阻抗谱之间的差异因子，通过新样品差异因子与阈值的比较结果，可以判断新样品是否合格。依靠本方法，可以快速、无损的判断压电器件是否合格。

Description

一种基于阻抗谱的压电器件结构缺陷检测方法

技术领域

本发明属于压电器件的缺陷检测技术领域，具体涉及一种基于阻抗谱的压电器件结构缺陷检测方法。

背景技术

压电器件是一种力、电换能器件，常被制作成驱动器、换能器、传感器等，在军事、民用领域都有广泛的应用。

压电器件需要长期工作在高低温环境下，并反复伸缩变形，在这过程中，压电器件内部的压电元件以及连接层可能出现缺陷，当缺陷超过一定程度，就会导致缺陷或者微裂纹的扩展，从而导致整个压电器件的失效。

对压电器件内部的压电元件以及连接层的缺陷，一般通过断面检测等破坏性实验抽检或者通过X射线、超声等成像手段扫描，但这些检测方法的检测效率很低，并且检测精度也不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于阻抗谱的压电器件结构缺陷检测方法，以克服现有技术的问题，本发明是一种检测效率高、检测精度高的无损检测方法，能有效的检测压电器件内的材料缺陷以及连接层缺陷。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于阻抗谱的压电器件结构缺陷检测方法，包括如下步骤：

步骤1：将一批已知合格的压电器件的正负电极与阻抗分析仪相连接，输出其阻抗谱；计算这些阻抗谱彼此之间的差异因子并求和，从中选择求和结果最小的阻抗谱作为标准阻抗谱；

步骤2：将一批已知合格与已知不合格的压电器件的正负极与阻抗分析仪相连接并输出其阻抗谱；计算这些阻抗谱与标准阻抗谱之间的差异因子，与标准阻抗谱之间的差异因子定义为损伤因子，选择合格样品与不合格样品损伤因子的临界值作为阈值；

步骤3：测试新生产的压电器件的阻抗谱，并计算其损伤因子，将损伤因子与阈值相比较，大于阈值的即为不合格样品，小于阈值的即为合格样品。

进一步地，步骤1中计算差异因子时和步骤2中计算损伤因子时采用的是阻抗谱中的相位信息。

进一步地，步骤1中差异因子的计算公式为：

其中，θ₁和θ₂分别是两个器件阻抗谱中各频率点对应的相位值，θ₀是在非谐振状态下压电器件的相位值。

进一步地，步骤2中损伤因子的计算公式为：

其中，θ₃是压电器件阻抗谱在不同频率下对应的相位值，θ是标准阻抗谱中不同频率下的相位值，θ₀是在非谐振状态下压电器件的相位值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的基于小信号的阻抗谱检测方法，是无损测试，避免了对器件的破坏，并且相比其他的各种成像测试，阻抗谱测试具有检测效率高、检测精度高、检测成本低、可快速重复测试的优点，同时本发明将阻抗谱之间的差异量化并提取了阈值，有利于将缺陷的检测自动化。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为合格压电器件的阻抗谱对比；

图3为合格与不合格压电器件的阻抗谱对比；

图4为合格样品与不合格样品的损伤因子；

图5为合格压电器件经低温逐渐损坏过程中损伤因子的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1，一种基于阻抗谱的压电器件结构缺陷检测方法，包括如下步骤：

步骤1、将一批已知合格的压电器件的正负电极与阻抗分析仪相连接，输出其阻抗谱；计算这些阻抗谱彼此之间的差异因子并求和，从中选择求和结果最小的阻抗谱作为标准阻抗谱。差异因子的计算公式为：

其中θ₁和θ₂分别是两个器件阻抗谱中各频率点对应的相位值，θ₀是在非谐振状态下压电器件的相位值。

步骤2、将一批已知合格与已知不合格压电器件的正负极与阻抗分析仪相连接并输出其阻抗谱；计算这些阻抗谱与标准阻抗谱之间的差异因子，与标准阻抗谱之间的差异因子定义为损伤因子，其计算公式如下，

其中，θ₃是压电器件阻抗谱在不同频率下对应的相位值，θ是标准阻抗谱中不同频率下的相位值，θ₀是在非谐振状态下压电器件的相位值。选择合格样品与不合格样品损伤因子的临界值作为阈值。

步骤3、测试新生产的压电器件的阻抗谱，并计算其损伤因子，将损伤因子与阈值相比较，大于阈值的即为不合格样品，小于阈值的即为合格样品。

差异因子和损伤因子的计算是基于协方差的变形，用来表明两组数据之间的相关程度，差异因子和损伤因子的值越大，则两组数据之间的相关程度越低，即阻抗谱之间差异越大。合格样品之间的差异都非常小，而不合格样品之间的差异会比较大。

下面对本发明实施例操作过程做详细描述：

压电元件在施加交流电信号的时候，压电元件会产生振动，在不同频率交流电压的激励下，压电元件的振动模式、振动幅度都会不同。

在一些特定频率电压的激励下，压电元件的振动会非常明显，表现为相位出现峰值，这个相位峰值对应的频率就是谐振频率，相位峰值的大小就反应了谐振的强弱。

压电元件的谐振频率受振动的等效长度以及质量分布影响，谐振的强弱受边界约束的影响。因此当压电器件内部的压电元件以及连接层出现缺陷时，其谐振频率、谐振强弱都会发生改变，表现为相位峰值对应的频率改变以及相位峰值的大小改变。

本发明通过差异因子来量化这种变化，并通过已知的合格样品和不合格样品来确定标准阻抗谱以及差异因子的阈值，通过比较差异因子和阈值的大小来判断压电器件是否合格。

请参阅图1，本发明一种基于阻抗谱的压电器件结构缺陷检测方法的具体过程如下：

步骤1、将一批已知合格的压电器件的正负电极与阻抗分析仪相连接，输出其阻抗谱；计算这些阻抗谱彼此之间的差异因子并求和，从中选择求和结果最小的阻抗谱作为标准阻抗谱。差异因子的计算公式为：

其中θ₁和θ₂分别是两个器件阻抗谱中各频率点对应的相位值，θ₀是在非谐振状态下压电器件的相位值。

合格样品的阻抗谱如图2所示，θ₁和θ₂分别是图2中阻抗谱中各频率所对应的相位值，θ₀是在非谐振状态下压电器件的相位值，由于一般压电材料的介电损耗很小，因此θ₀≈-90。

合格样品的阻抗谱彼此之间差异不大，其差异因子也都比较小。经计算，合格样品1的差异因子之和最小，选择合格样品1作为标准样品，它的阻抗谱作为标准阻抗谱。

步骤2、将一批已知合格与已知不合格压电器件的正负极与阻抗分析仪相连接并输出其阻抗谱；计算这些阻抗谱与标准阻抗谱之间的差异因子，与标准阻抗谱之间的差异因子定义为损伤因子，其计算公式如下，

其中，θ₃是压电器件阻抗谱在不同频率下对应的相位值，θ是标准阻抗谱中不同频率下的相位值，θ₀是在非谐振状态下压电器件的相位值，一般取-90。选择合格样品与不合格样品损伤因子的临界值作为阈值。

造成样品不合格的原因很多，不合格样品的阻抗谱也各不相同。一个不合格样品与标准样品之间阻抗谱的差异如图3所示，有着明显的差异，因此不合格样品的损伤因子一般偏大。一些已知的合格样品与不合格样品的损伤因子计算结果如图4所示，选择0.1作为阈值。

步骤3、测试新生产的压电器件的阻抗谱，并计算其损伤因子，将损伤因子与阈值相比较，大于阈值的即为不合格样品，小于阈值的即为合格样品。

另外，对本发明方法进行进一步验证：

取一些合格的压电器件，受多次的低温试验直至器件失效(无法正常工作)，并在每一次经历低温试验以后恢复到室温下测试器件的损伤因子，结果如图5所示，最终当压电器件的损伤因子大于阈值0.1时，这些压电器件都损坏了。因此本发明方法可以准确的检测出已损坏的压电器件。

综上所述，本发明是一种基于小信号的阻抗谱检测方法，是无损测试，避免了对器件的破坏，并且相比其他的各种成像测试，阻抗谱测试具有检测效率高、检测精度高、检测成本低、可快速重复测试的优点。同时本发明将阻抗谱之间的差异量化并提取了阈值，有利于将缺陷的检测自动化。

Claims (1)

1.一种基于阻抗谱的压电器件结构缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将一批已知合格的压电器件的正负电极与阻抗分析仪相连接，输出其阻抗谱；计算这些阻抗谱彼此之间的差异因子并求和，从中选择求和结果最小的阻抗谱作为标准阻抗谱；计算差异因子时采用的是阻抗谱中的相位信息；

差异因子的计算公式为：

其中，θ₁和θ₂分别是两个器件阻抗谱中各频率点对应的相位值，θ₀是在非谐振状态下压电器件的相位值；

步骤2：将一批已知合格与已知不合格的压电器件的正负极与阻抗分析仪相连接并输出其阻抗谱；计算这些阻抗谱与标准阻抗谱之间的差异因子，与标准阻抗谱之间的差异因子定义为损伤因子，选择合格样品与不合格样品损伤因子的临界值作为阈值；计算损伤因子时采用的是阻抗谱中的相位信息；

损伤因子的计算公式为：

其中，θ₃是压电器件阻抗谱在不同频率下对应的相位值，θ是标准阻抗谱中不同频率下的相位值，θ₀是在非谐振状态下压电器件的相位值；

步骤3：测试新生产的压电器件的阻抗谱，并计算其损伤因子，将损伤因子与阈值相比较，大于阈值的即为不合格样品，小于阈值的即为合格样品。

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