提高压电换能器导纳圆测量精度的方法研究

　　0　引言

　　用导纳圆测量仪可测量压电换能器的动态电阻、电容、电感和静态电阻、电容。这些参数可准确地描述压电换能器的工作特性。压电换能器应用广[1-4]，声波测井仪器[5]基本采用压电换能器发射和接收声波信号。不同的压电换能器参数各异，选择参数一致或接近的压电换能器安装到仪器上，可较好地保证同一只仪器上的压电换能器或经维修后换上的压电换能器性能与原来一致。

　　压电晶体是各向异性材料，制作工艺复杂，即使是同一条件下生产出来的同一批压电晶片，其自身的电特征都存在较大的差异[6]。如果不进行认真挑选，制作成压电换能器后其一致性较差，测量的声波波形的幅值和相位相差较大。因此，对压电换能器进行必要的筛选[7-8]是提高声波测井仪器性能的一个重要方面。换能器的筛选主要依据其参数，这些参数可从导纳圆中得到。因此，得到精度较高的导纳圆对挑选压电换能器很重要。在导纳圆测量电路中，电导电纳值[9]只与加在换能器两端的电压信号的幅值比和相位差有关，而测量电路中的测量电阻对其影响很大。因此，如何针对不同的压电换能器，选择合适的测量电阻是导纳仪研发中的一个重要环节。在过去的文献中，没有对测量电路中的测量电阻Rm进行过研究，一般都取固定值200Ω。但实际应用中我们发现，Rm对导纳圆测量的影响较明显。Rm偏大或偏小时导纳圆的测量效果不能达到最佳，本文将就此进行初步研究与讨论。

　　1　导纳圆测量原理

　　图1为压电换能器导纳圆测量的原理图。图中，AC为频率可变的交流电源，R为其源内阻，UA为经压电换能器前的电压，UB为经换能器后的电压。设

　　式中：UAm，UBm为两路信号的幅值;ω为角频率;φ为UA的初始相位;θ为两路信号的相位差。只要求出不同频率下的UAm、UBm、θ，就可求出压电换能器的导纳值为

　　2　导纳圆测量的影响因素

　　影响导纳圆测量精度的因素包括频率范围、采样步长、A/D转换器的量化误差和测量电阻等。本文对A/D转换器的量化误差及测量电阻进行了详细阐述。

　　2.1　A/D转换的量化误差

　　在数字导纳圆的测量过程中，所测量的两路正弦信号首先通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号。转换过程包括采样、保持、量化及编码4个步骤。其中，量化的方法一般包括四舍五入法和只舍不入法。采用不同的量化方式，其量化结果不同，量化结果与采样值间存在误差，即量化误差[10]。四舍五入法比只舍不入法的误差小。四舍五入法的误差范围为-D/2～D/2(D为最小量化单位)，为只舍不入法误差的一半。所以在信号处理中进行量化时，多采用四舍五入法[11]。