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第 38 卷 第 1 期 王彦等： 基于 NI ELVIS 的超声换能器参数测量系统设计 115

近似认为ω s C 0 ≈ ωC 0 。式(4)可以简化为
0 引言
1 1 ) 2 2 ( 1 ) 2
(
G − − +(B−ω s C 0 ) = , (5)
超声换能器的应用十分广泛，涉及工业、农业、 2R 1 R 0 2R 1
式(5)所表达的就是导纳圆方程。
医疗、军事等领域 [1] 。超声换能器阻抗 (或导纳)、模
基于导纳圆的超声换能器参数测量原理如图 2
型参数的准确测量对于超声换能器的性能评估和
所示。
应用至关重要 [2] 。专业的超声换能器阻抗测试仪
或者模型参数测量仪测试周期短、精度高，但成本
昂贵 [3] 。国外 Francis等 [4] 利用函数发生器NI PXI L 
5450 和示波器 NI PXI 5154 生成和获取阻抗信号，
R 
利用 LabVIEW 软件编程计算换能器阻抗参数。国 C  C 
内天津大学的郭雯等 [5] 研制了一种以ARM控制器
R 
为核心的数字式压电陶瓷导纳圆测量仪；陕西师范
大学的陆飞等 [6] 利用常规信号发生器、数字示波器
等仪器实现了超声换能器性能参数测量；哈尔滨工 图 1 超声换能器的等效电路
Fig. 1 Equivalent circuit of ultrasonic transducer
业大学的蒋焱冬等 [7] 以AVR单片机和 FPGA 作为
控制核心，采用动态谐振法测量换能器的阻抗参数。
B
近年来，超声换能器阵列的使用愈加广泛，需 M
要筛选出大量的参数一致的超声换能器。为此，本
文基于 NI ELVIS 平台设计了一种高效的超声换能
器参数测量系统。NI ELVIS 是 NI 公司开发的通用 E C↼a֒b↽ F
性很强的虚拟仪器平台，具有2 路16位DAC和8路
r
16位ADC，在 LabVIEW编程环境支持下能够进行
N G
多种测量工作，大大提高了工作效率。
O
1 超声换能器模型与参数测量原理
图 2 超声换能器导纳圆示意图
超声换能器等效电路如图 1 所示。其中，R 0 为 Fig. 2 Admittance circle of ultrasonic transducer
静态电阻，C 0 为静态电容，L 1 、C 1 、R 1 分别为动态
设导纳圆的半径为 r、圆心坐标为 (a, b)，对比
电感、电容、电阻。换能器导纳与角频率ω 的关系如
式 (5)，可得出参数R 1 、R 0 、C 0 的计算公式：
下 [8] ：
1
R 1 = , (6)
Y = G + jB, (1) 2r
1
1 R 1 R 0 = , (7)
G = + ) , (2) 1
( 1 2
R 0 2 a −
R + ωL 1 −
1 2R 1
ωC 1
b
1 C 0 = . (8)
ωL 1 −
ω s
ωC 1
B = ωC 0 − ( ) . (3)
2
2 1 由图 2 可以看出，M 点、N 点分别对应电纳的
R + ωL 1 −
1
ωC 1 最大值B Max 、最小值B Min 。设M 点、N 点对应的角
由式(2)、式(3)得 频率分别为 ω 1 、ω 2 ，根据式 (2)、式 (7)，这两点处的
1 1 2 1 电导均等于a，它们均满足式(9)：
( ) 2 ( ) 2
G − − + (B−ωC 0 ) = . (4)
2R 1 R 0 2R 1
1 R 1 1 1
+ ) = + . (9)
在串联谐振角频率 ω s 附近，电导 G 和电纳 B R 0 ( 1 2 2R 1 R 0
2
R + ωL 1 −
1
随着角频率 ω 变化很大，而 ωC 0 的变化很小，可以 ωC 1