Analisador de impedância para dispositivos piezoelétricos e ultrassônicos

Um dispositivo piezoelétrico é especificado por onde ressoa, e não por um valor em uma frequência. Esse único fato decide o que um analisador precisa fazer: varrer uma banda, traçar o resultado e permitir que a ressonância e a antirressonância sejam lidas na curva. Todo o resto do instrumento serve a essa tarefa.

Visão geral do produto

A família cobre 20 Hz a 5 MHz em cinco modelos, com dois tamanhos de corpo. Os dois modelos de menor frequência alcançam exatidão básica de 0,05 %; os três mais altos são declarados em 0,1 %. Todos usam os mesmos terminais Kelvin de quatro fios, o mesmo display colorido de 4,3 polegadas e as mesmas funções de varredura.

O painel frontal traz o display à esquerda, com uma coluna de teclas de função ao lado, o teclado e os controles à direita e os quatro terminais de ensaio ao longo da borda inferior. Os modelos de menor frequência têm 310 mm de largura e 5,5 kg; os modelos de 2 MHz e 5 MHz passam para um corpo de 400 mm e 8,5 kg. O painel traseiro traz os conectores HANDLER, serial e USB.

Como funciona o analisador de impedância

O instrumento aplica uma corrente de excitação ao dispositivo e sensora a tensão sobre ele em um par de cabos separado. Em cada frequência da varredura, resolve os dois sinais em uma componente em fase e outra em quadratura, das quais a impedância e a fase decorrem diretamente. Como os eletrodos de corrente e de tensão são separados, a resistência dos cabos e do contato não entra no resultado, e é isso que torna crível uma leitura de alguns ohms.

A varredura avança a frequência por uma banda e armazena o resultado em cada ponto, para depois traçar a impedância em função da frequência. Para uma peça piezoelétrica, o traçado mostra um mínimo na ressonância e um máximo na antirressonância; as frequências desses dois pontos e a impedância em cada um são o que o desenho do dispositivo normalmente especifica.

Os parâmetros de varredura definem como os mesmos dados são apresentados: como resistência e reatância, como impedância e fase, como admitância e fase ou como condutância e susceptância. Uma varredura de 400 pontos leva cerca de 4 s, de modo que um dispositivo pode ser conferido no tempo de carregar o próximo.

Como escolher o analisador de impedância

A primeira pergunta é a banda de frequência. Um dispositivo que ressoa abaixo de 200 kHz é coberto pelo menor modelo; um que ressoa em 1 MHz exige o modelo de 1 MHz; um transdutor que opera em 2 ou 5 MHz exige o corpo maior. Comprar acima da banda que o dispositivo realmente usa acrescenta custo e nada mais.

A segunda é a exatidão. Os modelos de 0,05 % cobrem as bandas mais baixas, e os de 0,1 % cobrem as mais altas, uma diferença que importa quando o limite é apertado, mas não quando a tolerância do dispositivo é de alguns pontos percentuais, o que é comum em cerâmicas piezoelétricas.

A terceira é o contato. Um disco, uma pilha e um transdutor Langevin precisam de três dispositivos de ensaio diferentes, e o dispositivo tem de segurar a peça com pressão repetível e posição repetível. A força de fixação altera a ressonância de uma pilha piezoelétrica, e por isso o dispositivo faz parte da medição, e não é um acessório.

A quarta é o que acontece com o resultado. O comparador de três níveis e as lâmpadas atendem a uma bancada em que um operador carrega peças; as portas HANDLER e serial atendem a uma linha que separa automaticamente; as configurações armazenadas atendem a uma bancada que troca de produto várias vezes por turno.

Limites de medição e critérios de seleção

O instrumento mede impedância de pequeno sinal. Ele não excita o dispositivo na sua potência de trabalho, de modo que o comportamento de grande sinal de um transdutor — o deslocamento da ressonância com o nível de excitação, o aquecimento, o deslocamento mecânico — está fora do que uma varredura de poucos volts pode mostrar.

O dispositivo de ensaio domina no topo da faixa de frequência. Em 5 MHz, alguns centímetros de cabo já são uma impedância significativa e a posição do cabo altera a leitura, de modo que um dispositivo de ensaio adequado, com geometria definida, não é opcional. O mesmo vale para a pressão de contato em uma pilha: uma força de fixação diferente dá uma ressonância diferente.

O valor de exatidão básica é um número de destaque, não uma garantia em toda a banda. A exatidão varia com a impedância e com a frequência, e o material se refere a uma tabela de exatidão separada que não inclui. Onde a medição é usada como limite, a exatidão naquela impedância e naquela frequência específicas tem de ser estabelecida, e não inferida do valor básico.

Por fim, uma varredura descreve um dispositivo em um momento e em uma temperatura. As cerâmicas piezoelétricas se deslocam com a temperatura, e uma peça medida fria não coincide com a mesma peça medida depois de ter operado. Comparar uma curva com uma curva de referência obtida nas mesmas condições é mais útil do que comparar números isolados.