利用阻抗分析儀6632-導納圓分析，進行超聲波換能器/壓電元件的諧振阻抗測試 (操作視頻)
壓電陶瓷換能器工作原理與共振頻率功能講解
壓電陶瓷換能器是一種『電、聲、力』之轉換器，是將電的信號與聲的信號透過材料特性進行能量相互轉換的技術原理，壓電陶瓷在燒制過程中利用強直流電場中極化，極化處理後的壓電陶瓷將保持一定的壓力，當壓力與張力施加至壓電陶瓷片時，陶瓷片之兩端將會產生極性相反的電荷，經由電路產生電流，這種壓電效應放入水中，在聲波的作用下換能器之兩端會感應出電荷，即是聲波接收器。
壓電陶瓷轉換效率的重要關鍵
壓電陶瓷換能器一般材料大致分為兩種，一是磁致伸縮金屬另一是壓電陶瓷，藉由壓電陶瓷換能器作為一種能量傳輸的網絡，因此能量相互轉換之間的效率課題是我們所關心的，設計超聲換能器時，需評估聲阻抗、諧振頻率、聲學結構與材料特性，使電聲轉換達到最高效能。
圓環形的壓電陶瓷片
其厚度與頻率之間存在什麼關係
對於圓環形的壓電陶瓷片，其頻率指的是諧振頻率，陶瓷片直徑越大，則徑向諧振頻率越大，陶瓷片厚度越厚，則厚向諧振頻率越小，壓電陶瓷片常規的外徑尺寸分為15mm/25mm/30mm/45mm/50mm/60mm。
為了產生『超聲波』與『接收超聲波』，採用圓片狀的壓電陶瓷製成彎曲振動的超聲傳感器，利用其『逆壓電效應』與『壓電效應』產生和接收超聲波。
壓電元件應用於聲學時，不論是發射聲波或接收聲波都是屬于振動元件，在壓電元件的兩個電極上加載交變電壓，作為發射端的發射聲波元件，當此電壓的頻率與壓電元件某一振動模式的固有頻率一致時，會產生共振，大多的壓電元件都會與某一電子線路連接，因此我們可以利用壓電元件的等效電路模型，來模擬它的機電振動特性。
以上圖檢視-壓電元件等效電路模型進行解說
當壓電元件處於靜態時
我們忽略電損耗，則可當做是一靜態電容C0
當壓電元件處于振動並輻射能量時，
還存在與靜態電容C0並聯一起的動態阻抗
此動態阻抗是來自元件振動過程中其彈性與慣性與周圍介質對振動部份的反作用
我們可以將動態阻抗用串聯的電容C1、串聯的電感L1、串聯的電阻R1來表示
當機械品質因數Qm較高時
在某共振頻率附近的L1、C1可當做基本常數，則R1與機械損耗、輻射的機械能有關聯
此時我們可以利用交流電路的複數符號來評定壓電元件的諧振阻抗特性
電路中的總阻抗 Z = U / I
電路中的總導納 Y = I / U
因此，我們可以測量元件的導納 = 測量阻抗，評估元件與所在電路之間的匹配阻抗
MICROTEST 6632導納圓繪圖分析功能
用來評定壓電換能器的最佳工具
由於壓電組件之等效電路採用並聯方式，上圖為導納矢量平面圖，X軸為導納實部即是電導G，Y軸為導納虛部即是電納B，壓電組件的阻抗隨頻率改變之下，透過導納圓分析可觀察導納的變化，當訊號頻率剛好在串聯諧振頻率附近的範圍內發生變化時，串聯支路導納Y1為一圓形矢量，其圓的中心為(1/2R1，0)，半徑為(1/2R1)，我們可以利用導納圓繪圖方式更直觀檢視壓電組件的阻抗相關參數。
整個振動系統的工作頻
Fp 反諧振頻率壓電振子並聯支路之諧振頻率(C0、L1產生的諧振)，在Fp之下阻抗最大，導納最小
Gmax 串聯諧振下的電導串聯諧振的電導
指的是整組振動系統工作下的電導值(R1的倒數)
Qm 機械品質因數公式為Qm=Fs/(F2-F1)
Qm越高代表壓電振子的效率越高，同時也要與電源匹配
C0 靜態電容量公式為C0=CT-C1，CT為1kHz下的自由電容
可利用並聯協調或串聯協調進行平衡C0，要以電感對C0進行平衡，平衡可提高電源的功率因子
C1 動態電容量動態阻抗中的電容
R1 動態電阻公式為R1=1/D，R1為壓電振子串聯支路的電阻，D為導納圓的直徑
L1 動態電感公式R1/2π(F2-F1)，L1為壓電振子串聯支路的電感
F1 振子半功率點頻率 / F2 振子半功率點頻率針對整個振動系統而言，通常F2-F1小於10Hz
可能造成頻帶過窄，電源難以在諧振頻率點，導致無法工作
Zmax 反諧振阻抗此值過低會影響壓電振子之壽命性
Kp 有效的機電耦合係數此值可參考為轉換效率的好壞
MICROTEST 6632掃描繪圖功能
檢視壓電元件Fs/Fp
MICROTEST 6632 等效電路模型選擇模型E
進行實測+模擬
是修改製程或產品特性的最佳工具
MICROTEST 6632 超聲波換能器/壓電元件解決方案
產品測量應用
超聲波換能器
壓電元件
耳機單體元件
主機
精密阻抗分析儀 6632
測試夾具選型
F423905
FX-000C11
測試夾具選型
FX-0000C6