具体实施方式

以下结合附图1-11对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种压电测量装置，参照图1，该装置包括：主控模块1、信号输入模块2、驱动波形生成模块3和锁相环模块4；主控模块1与驱动波形生成模块3电连接，信号输入模块2与驱动波形生成模块3电连接，信号输入模块2与锁相环模块4电连接，锁相环模块4与主控模块1电连接。

信号输入模块2，用于采集动态力传感信号并传输至锁相环模块4和主控模块1；驱动波形生成模块3，用于根据主控模块1的驱动指令产生驱动波形信号，并传输至锁相环模块4和外设的振荡驱动接口；锁相环模块4，用于实时检测动态力传感信号和驱动波形信号之间的相位差，并锁定相位差，以输出动态相位调整信号至主控模块1；主控模块1，用于输出驱动指令至驱动波形生成模块，还用于根据动态相位调整信号对动态力传感信号进行调整，基于调整后的动态力传感信号采样值，计算并输出待测压电样品的压电常数。

可选的，信号输入模块，还用于采集静态力传感信号并传输至锁相环模块和主控模块；锁相环模块，还用于实时检测静态力传感信号和驱动波形信号之间的相位差，并锁定相位差，以输出静态相位调整信号至主控模块；主控模块，还用于根据静态相位调整信号对静态力传感信号进行调整，基于调整后的静态力传感信号采样值以及预设的静态夹持力，确定待测压电样品是否夹紧，以输出静态力调整指令至外设的步进驱动接口。

可选的，主控模块包括主控板和微控单元，微控单元与主控板电连接，微控单元还分别与信号输入模块、锁相环模块、驱动波形生成模块电连接。

主控板，用于输出振荡驱动指令至微控单元；微控单元，用于将驱动指令传输至驱动波形生成模块；微控单元，还用于获取信号输入模块传入的动、静态力传感信号以及对应的相位调整信号，并传输至主控板；主控板，还用于根据动态力传感信号以及对应的相位调整信号，计算并输出待测压电样品的压电常数，根据静态力传感信号以及对应的相位调整信号，确定待测压电样品是否夹紧。

可选的，信号输入模块包括动态传感电路、静态传感电路、数模转换电路；动态传感电路，用于采集动态力传感信号，放大后分别传输至模数转换电路和动态锁相环电路；静态传感电路，用于采集静态力传感信号，放大后分别传输至模数转换电路和静态锁相环电路；模数转换电路，用于将动态力传感信号和静态力传感信号转换成对应的数字信号并传输至微控单元。

本实施例的压电测量装置还包括与主控板电连接的步进电机、压力传感器，以及与信号输入模块电连接的动态形变传感器(动态传感器)、静态形变传感器(静态传感器)，以及与驱动波形生成模块电连接的模态激荡器，从而协作完成待测压电样品的压电常数测量。

需要说明的是，在测量过程中，驱动波形生成模块输出的驱动波形信号传输至模态激荡器，使模态激荡器产生振荡后，动态形变传感器检测到待测压电样品的动态力传感信号，动态传感电路采集动态形变传感器检测到的动态力传感信号；主控板驱动步进电机使测量夹具将待测压电样品夹持，静态形变传感器检测静态力传感信号，静态传感电路采集静态形变传感器检测的静态力传感信号。此外，步进电机产生的实时驱动力由压力传感器检测并传输至主控板。将动态传感电路和静态传感电路通过数模转换电路，将动态力传感信号和静态力传感信号传输至微控单位，由微控单元传输至主控板。

此外，动态传感电路和静态传感电路将动态力传感信号和静态力传感信号作为反馈信号传输至锁相环模块，通过锁相环模块的相位锁定功能，检测动态力传感信号和驱动波形信号的实时相位差，并输出对应的相位调整信号至微控单元，并检测静力传感信号和驱动波形信号的实时相位差，并输出对应的相位调整信号至微控单元；微控单元根据动态相位调整信号和静态相位调整信号，对动态力传感信号和静力传感信号的相位进行调整，以精确动态力传感信号和静力传感信号的频率采样值，从而有效避免信号干扰和淹没的情况；微控单元将调整后的动态力传感信号、静态力传感信号以及对应的相位调整信号传输至主控板，由主控板的算法根据调整后的动态力传感信号采样值，计算并输出待测压电样品的压电常数；根据调整后的静态力传感信号采样值以及预设的静态夹持力，确定待测压电样品是否夹紧，以输出静态力调整指令至外设的步进驱动接口。

在一具体实施例中，测量待测压电样品的纵向压电常数d₃₃，计算公式具体为：其中F为校正后的动态力，C为已知电容值、V为已知电压值。本实施例可以通过更换测量夹具，测量d15(横向压电常数)、d31(切向压电常数)。在一具体实施例中，待测压电样品的静态夹持力设置为10N。

可选的，驱动波形生成模块包括波形发生电路和波形控制电路；波形发生电路与波形控制电路电连接；波形发生电路还与微控单元电连接；波形发生电路的输出端与锁相环模块电连接；波形控制电路还与微控单元电连接，波形控制电路的输出端连接外设的振荡驱动接口；

波形发生电路，用于根据微控单元的使能指令，生成对应的波形并放大输出驱动波形信号，并将驱动波形信号传输至波形控制电路；波形发生电路，还用于将驱动波形信号传输至锁相环模块；

波形控制电路，用于根据微控单元的波形调节指令，调节驱动波形的大小，并将调节后的驱动波形信号输出至外设的振荡驱动接口。

可选的，参照图2，波形发生电路包括波形发生器U14、电容C98、电阻R97、电阻R98、电阻R99以及运放芯片U15B；波形发生器U14的使能指令输入端连接微控单元，电压输出端通过电容C98、电阻R97连接至运放芯片U15B的同相输入端；运放芯片U15B的反相输入端通过电阻R98接地，通过电阻R99连接至运放芯片U15B的输出端，运放芯片U15B的输出端连接锁相环模块和波形控制电路。在本实施例中，驱动波形信号包括正弦波信号或余弦波信号。

可选的，参照图3，波形控制电路包括数字点位器U16、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R119、电容C101以及运放芯片U17A；数字点位器U16的VH端通过电阻R119连接至运放芯片U15B的输出端，数字点位器U16的Vw端通过电阻R102连接至运放芯片U17A的同相输入端，数字点位器U16的/INC端和U/LD端均连接微控单元；电阻R103、电阻R104串联连接的一端连接至运放芯片U17A的输出端，另一端连接至电源；运放芯片U17A的反相输入端接入电阻R103、电阻R104之间的串联连接点；运放芯片U17A的输出端连接通过电容C101输出驱动波形信号。

在一具体实施例中，波形发生器U14采用可编程波形发生器，型号如AD9833芯片，能够产生正弦波、三角波和方波输出。运放芯片U15B采用型号如TL082的运放芯片。波形发生器U14通过SPI与微控单元通讯。微控单元输出波形使能指令后，波形发生器U14输出对应的正弦波形或余弦波形，经过运放芯片U15B后输出V-SIN1信号；该V-SIN1信号分两路输出，一路输出至输出波形控制电路，另一路输出至锁相环模块。在一具体实施例中，数字点位器U16采用型号如X9C104芯片。微控单元接入该X9C104芯片的第一接口/INC和第二接口U/LD，以调节输入的V-SIN1信号的电位，实现可控制输出驱动波形大小；进一步地，将输出后的驱动波形经过运放芯片U17A运放后输出供电给模态激荡器。在本实施例中，可控制输出正弦波形范围为0～10V，0～300HZ，实现变频测试的功能。

可选的，锁相环模块包括动态锁相环电路，参照图4，动态锁相环电路分别与驱动波形生成模块、信号输入模块电连接；动态锁相环电路包括动态环路芯片U21、电阻R131、电阻R134以及电容C115；动态环路芯片U21的端口SIGIN通过C115连接波形发生电路的输出端，端口VCOIN通过电阻R131连接信号输入模块的输出端，端口DEMOUT通过电阻R134输出动态力传感信号的相位调整信号。

可选的，锁相环模块还包括静态锁相环电路，参照图5，静态锁相环电路分别与驱动波形生成模块、信号输入模块电连接；静态锁相环电路包括静态环路芯片U20、电阻R122、电阻R125以及电容C111；

静态环路芯片U20的端口SIGIN通过电容C111连接波形发生电路的输出端，端口VCOIN通过电阻R122连接信号输入模块的输出端，端口DEMOUT通过电阻R125输出静态力传感信号的相位调整信号。

在一具体实施例中，静态环路芯片U20、动态环路芯片U21可以采用型号如SN74LV4046A的锁相环芯片；需要说明的是，锁相环芯片包括鉴相器(PD，Phase Detector)、低通滤波器(LF，Loop Filter)和压控振荡器(VCO，Voltage Controlled Oscillator)三部分；动态锁相环电路和动态锁相环电路的工作原理相同，以动态锁相环电路示例说明，检测输入信号V-SIN1即驱动波形信号和输出信号Vx1即动态力传感信号的相位差，将实时检测出的相位差信号通过鉴相器转换成电压信号输出至微控单元，并输出至低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压，对压控振动器输出信号的频率实施控制，再通过反馈通路把压控振荡器输出信号的频率、相位反馈到鉴相器。当输出信号的频率成比例地反映输入信号的频率时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，使得输出电压与输入电压的相位被锁住，从而将驱动波形信号V-SIN1、静态力传感信号Vx1、动态力传感信号Vx2进行相位锁定，在锁定过程中，鉴相器实时输出相位调整信号至微控单元并作为动态传感信号的补充信号，使得测量信号的频率和相位与振荡驱动信号的频率和相位保持同步，避免噪声的干扰。

可选的，本实施例的压电测量装置还包括电源模块和显示模块，电源模块分别连接主控模块、信号输入模块、驱动波形生成模块和锁相环模块，显示模块分别连接电源模块和主控模块。

电源模块，用于为主控模块、信号输入模块、驱动波形生成模块和锁相环模块以及显示模块供电；显示模块，用于显示压电常数测量结果。

在一具体实施例中，采用两种电源，分别是24V直流电源和220V交流电源；电源模块采用电源芯片，型号如HE12P24LRN，将输入的220V交流电源转换成12V 2A的直流电源；12V直流电源分三路供电给主控模块、信号采集模块和显示模块，此外，再分一路通过降压芯片，型号如LM2576-5，输出5V电源，分三路供电给主控模块、信号采集板和显示模块。在一具体实施例中，电源模块设置有三个灯带。24V直流电源供电给步进电机和三个灯带。在一具体实施例中，显示模块可以采用LCD板或LED板。

可选的，主控板包括主控单元、压力检测单元和驱动单元；压力检测单元和驱动单元分别连接主控单元。

主控单元，用于输出步进驱动指令至驱动单元；驱动单元，用于驱动步进电机，以使压电测量装置对待测压电样品进行施力；压力检测单元，用于采集压电测量装置的压力传感器检测到的步进电机运动时产生的压力信号；主控单元，还用于获取压力检测单元的压力信号，以及信号输入模块的动、静态力传感信号和对应的相位调整信号，根据动态力传感信号以及对应的相位调整信号计算并输出待测压电样品的压电常数；根据静态力传感信号以及对应的相位调整信号，确定待测压电样品是否夹紧，若待测压电样品未夹紧，则根据静态相位调整信号和压力信号输出步进调整信号，以调整步进电机的驱动力。

可选的，主控板还包括第一降压单元，该第一降压单元的输入端连接电源模块的输出端，输出端连接主控单元。该第一降压单元，用于将电源模块输出的直流电源降压后供电给主控单元。在一具体实施例中，第一降压单元采用LDO芯片，型号如AMS1117-3.3，将5V直流电源降压后输出3.3V。

在一具体实施例中，参照图6，主控单元采用单片机MCU，型号如：STM32F407V；主控单元外设有两个485通讯接口、网口、232通讯协议接口和USB接口；通过两个485通讯接口，分别连接步进电机和微控单元进行通讯连接。第一降压单元采用LDO芯片，型号如AMS1117-3.3，将5V直流电源降压后输出3.3V。

在一具体实施例中，压力检测单元包括第一压力检测电路和第二压力检测电路；第一压力检测电路的输入端连接压力传感器，输出端连接主控单元；第二压力检测电路的输入端连接压力传感器，输出端连接主控单元；

参照图7(a)，第一压力检测单路包括运放芯片U4B、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10及端口CN15。运放芯片U4B的同相输入端通过电阻R8连接至端口CN15的第一接口，端口CN15作为第一信号输入端；端口CN15的第二接口通过电阻R7、电阻R9连接至运放芯片U4B的输出端；运放芯片U4B的反相输入端连接至电阻R7、电阻R9的串联连接点；运放芯片U4B的输出端通过电阻R10输出压力检测信号至主控单元。

参照图7(b)，第二压力检测单路包括运放芯片U4A、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14及端口CN16。运放芯片U4A的同相输入端通过电阻R12连接至端口CN16的第一接口，端口CN16作为第二信号输入端；端口CN16的第二接口通过电阻R11、电阻R13连接至运放芯片U4A的输出端；运放芯片U4A的反相输入端连接至电阻R11、电阻R13的串联连接点；运放芯片U4A的输出端通过电阻R14输出压力检测信号至主控单元。

在一具体实施例中，运放芯片U4A和运放芯片U4B采用型号如TL082的运放芯片；压力传感器的信号通过端口CN15、端口CN16输入到对应的压力检测电路后，经由TL082运放芯片组成的放大电路放大，然后传输至主控单元对应的I/O接口，需要说明的是，主控单元的I/O接口具有ADC功能。

在一具体实施例中，参照图8，驱动单元采用驱动芯片U10，驱动芯片U10连接主控单元；驱动芯片用于根据主控单元输出的步进驱动指令转换成驱动信号以输出至步进电机。

在一具体实施例中，驱动芯片U10采用型号如DS26LV31TM/NOPB的驱动芯片；主控单元输出驱动控制指令后，经驱动芯片U10转换成驱动信号并输出至步进电机接插端口CN23。

在一具体实施例中，微控单元、信号输入模块、驱动波形生成模块和锁相环模块集成在一信号采集板上，参照图9，该采集板还包括第二降压单元，该第二降压单元的输入端连接电源模块的输出端，输出端连接微控单元。该第一降压单元，用于将电源模块输出的直流电源降压后供电给微控单元。在一具体实施例中，第二降压单元采用LDO芯片，型号如AMS1117-3.3，将5V直流电源降压后输出3.3V。

在一具体实施例中，参照图10，信号输入模块的静态传感电路包括运放芯片U18、电阻R109、电阻R110、电阻R111、电阻R112、电阻R113、电容C104、电容C105、电容C106以及端口CN29。运放芯片U18的反向输入端依次通过电阻R111、电容C104、电阻R110连接至端口CN29的第二接口，端口CN29的第一接口通过电阻R109接地，端口CN29作为静态力传感信号输入端；电容C105并联连接在电阻R111的两端；运放芯片U18的同向输入端通过电阻R112接地；电容C106的一端连接至运放芯片U18的输出端，另一端接入电阻R110和电容C104之间串联连接点；电阻R113并联连接在电容C106的两端。

参照图11，信号输入模块的动态传感电路包括运放芯片U19、电阻R114、电阻R115、电阻R116、电阻R117、电阻R118、电容C108、电容C109、电容C110以及端口CN30。运放芯片U19的反相输入端依次通过电阻R116、电容C108、电阻R115连接至端口CN30的第二接口，端口CN30的第一接口通过电阻R114接地，端口CN30作为动态力传感信号输入端；电容C109并联连接在电阻R116的两端；运放芯片U19的同相输入端通过电阻R117接地；电容C110的一端连接运放芯片U19的输出端，另一端接入电阻R115和电容C108之间的串联连接点，电阻R118并联连接在电容C110的两端。

在一具体实施例中，运放芯片U18、运放芯片U19采用型号为OP117；参照图6，静态形变传感器所测数据从静态传感电路的端口CN29输入后通过运放芯片U18按比例放大，然后输出信号Vx1；参照图7，动态形变传感器所测数据从动态传感电路的端口CN30输入后通过运放芯片U19按比例放大，然后输出信号Vx2。需要说明的是，动、静态传感电路皆为模块成品，自动将检测的力值按比例转化为电压信号输出。

在一具体实施例中，模数转换电路采用型号如ADS1256的模数转换芯片；传感电路输出的信号Vx1和信号Vx2输入至该模数转换芯片，在本实施例中，该模数转换芯片可以采用两种信号采集方式，一种是单独采集信号，即分别采集信号Vx1和信号Vx2，另一种是将信号Vx1和信号Vx作差分信号后进行采集，两种信号采集方式任选一种即可；进一步地，模数转换芯片将采集后的信号转换成对应的数字信号后传输至微控单元。在本实施例中，模数转换芯片通过SPI通讯方式与微控单元通讯。

本实施例的压电测量装置的频率测试范围为：0～300HZ，最小分辨率：±0.1Hz，校准频率为110Hz(典型值)；动态力测试范围为：0.05～0.5N，静态测试力：10N，最小分辨率为±0.01N，校准力为0.25N(典型值)；测量范围包括：

10PC/N，Accuracy：±2％±0.01PC/N，Loading：0.1μF；

100PC/N，Accuracy：±2％±0.1pC/N，Loading：1.0μF；

1000PC/N，Accuracy：±2％±1pC/N，Loading：1.0μF；

10000PC/N，Accuracy：±2％±1pC/N，Loading：1.0μF。

本实施例的压电测量装置通过信号输入模块采集动态力传感信号，以作为反馈信号传输至锁相环模块，同时传输至微控单元；通过驱动波形生成模块，输出驱动波形并传输至外设的振荡驱动接口，并将驱动波形传输至锁相环模块，锁相环模块将动态力传感信号与驱动波形进行相位锁定，并将实时检测的动态力传感信号和驱动波形信号的相位差信号并传输至微控单元，使微控单元根据动态相位调整信号，对动态力传感信号的相位进行调整，以精确动态力传感信号和静力传感信号的频率采样值，从而有效避免信号干扰和淹没的情况。微控单元将调整后的动态力传感信号以及对应的相位调整信号传输至主控板，由主控板的算法计算并输出待测压电样品的压电常数，从而提高压电测量精度。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。