[发明专利]一种压电器件的自感知温度在线监测系统及方法

说明书

本发明公开了一种压电器件的自感知温度在线监测系统及方法。压电结构在振动模态的谐振频率和反谐振频率之间会表现出非常好的感性特征，同时压电结构的特征频率具有温度依赖特性。在压电器件工作过程中，当有温升存在时会引起频率的漂移，同时会带来明显的等效电感变化。通过额外的阻抗分析电路对压电器件的等效电感进行在线监测，就能实时反映出器件的温度变化，从而实施相应的控制措施。该自感知温度在线监测系统及方法中，压电器件的工作温度监测不需要额外的温度传感器，能够实现非接触式的实时测量，尤其适合用于压电器件比较小，或其他不适宜用温度计及其他测温装置进行温度测量的场合。

技术领域

本发明涉及压电器件温度测量领域，尤其涉及一种压电器件的自感知温度在线监测方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，利用其压电效应和逆压电效应可以制成各种压电器件,已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷的特性决定了其工作过程中需要通以一定频率的功率信号。在一定的功率下，由于压电器件会存在各种损耗(压电损耗、介电损耗、机械损耗等)，其在工作过程中会产生一定的温升，影响其工作特性。例如一片尺寸为30×20×0.4mm³的压电变压器，在没有任何散热的情况下，仅仅6W的工作功率就能产生8℃左右的温升，严重影响其工作效率。尤其当温升超过压电材料的温度极限也就是居里温度时，压电材料就会产生退极化现象而失去宏观压电性能。因此，我们需要对压电器件工作过程中的温度进行测量并进行控制。

但在实际工作过程中，我们很难对工作过程中的压电器件进行接触式温度测量，比如压电马达、压电变压器，特别是当压电器件比较小时，用热电阻或热电偶无法直接对压电器件进行准确的温度测量。虽然采用某些非接触式温度测量手段，比如红外温度测量仪、热像仪等，可以对这些器件进行温度测量，但相对于工作中的压电器件来说，这些测量手段都不经济，同时整个工作系统也会变得复杂。因此需要一种简单方便又经济的方案对压电器件进行温度测量。

发明内容

为了解决常规的温度测量方法不适用于工作中的压电器件的问题，本发明提供了一种不采用额外传感器的压电自感知温度在线监测系统及方法。压电结构在振动模态的谐振频率和反谐振频率之间会表现出非常好的感性特征，同时压电结构的特征频率具有温度依赖特性。在压电器件工作过程中，当有温升存在时会引起频率的漂移，同时会带来明显的等效电感变化。通过额外的阻抗分析电路对压电器件的等效电感进行在线监测，就能实时反映出器件的温度变化，从而实施相应的控制措施。

为了实现上述目的，本发明提供了一种压电器件的自感知温度在线监测系统，该系统包括压电器件、驱动电路、阻抗分析电路、电感-温度换算模块、温度数据实时采集模块，驱动电路与压电器件、阻抗分析电路、电感-温度换算模块、温度数据实时采集模块依次连接，其中：

所述压电器件采用压电陶瓷结构；

所述驱动电路为压电器件在应用过程中相应的频率、功率信号供给装置；

所述阻抗分析电路用于对工作在振动状态下的压电器件进行阻抗分析，分离出等效电感值，其中等效电感值与压电器件当前的工作温度值相关；

所述电感-温度换算模块，用于根据事先标定的压电器件电感-温度之间的关系，将分离出的等效电感值换算成压电器件当前工作状态下相应的温度值；

所述温度数据实时采集模块，用于将电感-温度换算模块换算出的温度值实时记录并显示，供后续工作中压电器件的温度控制使用。

进一步的，上述压电器件的自感知温度在线监测系统中，所述压电陶瓷结构包括但不限于：压电驱动器、压电换能器、压电振子、压电马达、压电变压器或压电传感器。

进一步的，上述压电器件的自感知温度在线监测系统中，所述阻抗分析电路包括：交流电桥、差动放大器和锁定放大器。