基于LabView的壓電換能器多路動態信號采集與分析系統

黃嘉偉，張繼昌，張宏杰

（天津工業大學機械工程學院，天津300387）

0 引言

先進電子制造是關系到國民經濟、國防建設的戰略性產業，微連接技術是電子封裝的核心環節，壓電換能器是熱超聲引線鍵合及相關超聲輔助精密制造、檢測技術領域中最廣泛采用的換能方式，是將電能轉換為制造、檢測所需機械能的主要途徑之一，圖1所示為用于熱超聲鍵合的壓電超聲換能器的一般結構[1-2]。

圖1 壓電超聲換能器結構圖

由于壓電超聲換能器是多個子系統非線性耦合而成的三維振動系統，因此換能器的動力學行為特性與壓電材料特性、變幅桿結構、換能器裝配、激振信號品質等諸多因素密切相關，因此，要研究換能器的動力學行為特性的影響因素及其規律，首要的就是需要能夠完整捕捉到換能器在工作時其動態響應過程，并且能夠對采集的換能器動態響應信號進行分析，提取其動態響應特征，為研究換能器動力學行為特性影響因素及規律，提升換能器能量利用率奠定技術基礎。Or等通過在壓電換能器中安裝壓電傳感器，從而測得換能器在工作過程中的振動信號以及機械阻抗信號等，并以此來評價鍵合質量[2]，王福亮通過設計超聲引線鍵合過程的信號采集及分析系統，得到表征換能器鍵合質量的特征信息，以此來判定換能器的鍵合質量[3]。而本文研究設計了基于LabView[4-5]虛擬儀器技術平臺的壓電超聲換能器數據采集以及分析系統，能夠實現換能器激勵信號輸出與多路動態信號采集的同步進行，以及實現大量數據的高速存儲，并通過Matlab對采集信號進行分析，提取信號的包絡線，得到壓電換能器動態響應信號的性能評價指標。

1 壓電超聲換能器多路動態信號在線監測與分析系統硬件構成

如圖2所示為換能器多路動態信號在線監測與分析系統平臺，包括高頻超聲換能系統驅動電源、光學精密隔振平臺、NI高性能數據采集裝備、OptoMET Vector-speed高速型激光多普勒測振儀等設備搭建的換能器多路動態信號同步監測平臺，數據采集卡采用的是NI公司的USB-6366高速數據采集模塊，該采集卡是一款具有8路 AI（16位，2 MS/s），2路AO（3.33 MS/s），24路 DIO，USB 多功能 I/O 設備，USB-6366適用于從基本數據記錄到控制和測試自動化等廣泛的應用。

圖2 高頻超聲壓電換能器多路動態信號監測平臺

2 壓電超聲換能器多路動態信號監測與分析系統軟件總體設計

本文基于LabView虛擬儀器技術開發了換能器激振信號輸出以及換能器動態電壓、電流、真有效值、阻抗相位、振幅、振速等信號的高速同步采集與數據存儲軟件，并且通過對多路動態信號進行分析，研究換能器的動態響應特性，系統總體功能邏輯框圖如圖3所示。

圖3 系統總體功能邏輯框圖

換能器多路動態信號在線監測系統軟件總體設計如圖4所示，軟件由四個模塊構成，包括換能器激振信號生成模塊、換能器多路動態信號采集模塊、數據顯示模塊、數據存儲模塊。其中的核心和難點為信號生成與數據采集的同步進行，并且能夠實現掃頻功能，信號生成方式可以選擇按周期或按時間來生成，能夠很好地滿足不同實驗情況所需的條件。

圖4 在線監測系統軟件總體設計圖

如圖5所示為系統軟件的前面板窗口，可通過前面板設置激振信號的波形、信號時長、幅值、頻率、輸出通道等參數，以及數據采集的輸入通道、采樣頻率、觸發源、觸發電平等參數。

圖5 壓電超聲換能器多路動態信號在線監測系統軟件前面板

3 換能器多路動態信號在線監測與分析系統實驗結果

測試換能器選用雙錐型柔性夾持換能器，如圖6中上圖所示，運用扭矩扳手給換能器壓電振子施加4.5 kN裝配預緊力，驅動電源設置換能器加載電壓為20 Vp-p，設置激振頻率為當前換能器諧振頻110.185 kHz，利用激光多普勒測振儀測量換能器前端振幅，并通過數據采集卡獲得換能器電流、振幅、阻抗相位詳細數據信息。如圖6下圖所示為換能器工作在諧振以及非諧振狀態下，其電流、振幅以及阻抗相位響應信號，從圖中可以看到，采集系統能夠完整采集到換能器響應信號的響應過程，包括暫態過程、穩態過程以及衰減過程[6]，為后續的研究奠定了基礎。

圖6 上圖為雙錐型柔性夾持換能器實物圖，下圖為換能器在諧振及非諧振激勵下響應信號：（a）和（d）為換能器電流響應信號，（b）和（e）為換能器振幅響應信號，（c）和（d）為換能器阻抗相位差信號

為了測試該系統的掃頻功能，測試了在預緊力為4.5 kN，加載電壓為20 Vp-p時，激振頻率設置為109.385～110.185 kHz，頻率步長設置為80 Hz，信號時長為三種（2.5 ms、3 ms、7 ms）情況下，換能器電流動態響應信號如圖7所示。

圖7 換能器掃頻激勵下電流響應信號

通過采集系統得到換能器響應信號之后，為了研究響應信號的動態響應特性，本文運用Matlab對換能器動態響應信號進行包絡線提取，得到換能器動態響應特性評價指標，如超調量、調節時間、上升時間等等，圖8所示為在預緊力為4.5 kN，加載電壓設置為20 Vp-p時，換能器在諧振及非諧振激勵下響應信號的包絡線提取，從提取的包絡線中能夠清晰的得到換能器動態響應特性的評價指標，其中圖8（a）中Tr為換能器諧振電流信號上升時間，圖8（b）Ts為換能器非諧振電流信號調節時間，Mp為電流信號包絡線峰值，Fv為電流信號包絡線穩態值，由此可得換能器電流信號超調量σ為式（1）所示。

圖8 換能器在諧振及非諧振激勵時電流響應信號包絡線

4 結束語

本文基于LabView虛擬儀器技術平臺開發了高頻壓電超聲換能器多路動態信號采集系統，搭建了高頻壓電超聲換能器多路動態信號監測平臺，很好地實現了換能器激勵信號輸出以及多路動態信號采集的同步進行以及大量數據的高速存儲功能，同時實現了掃頻功能，能夠同時得到換能器在多種頻率下的動態響應過程，大大節省了實驗花費的時間，并通過實驗驗證了該系統的可行性、準確性及快速性，保證了在換能器工作時能夠捕捉到其完整的動態響應過程。最后利用Matlab分析采集的換能器動態響應信號，并通過提取其包絡線，得到換能器動態響應信號各性能評價指標。