压电材料参数的测量方法.pptx

前 言压电材料的压电性能主要由压电参数决定压电性能主要由压电参数决定，因此压电参数是我们使用压电材料的首要前提，了解和掌握压电材料压电参数的测量方法和手段十分必要；压电材料参数的设计与实际生产出来的成品总是会存在一定的差别，一般在使用压电材料前一般在使用压电材料前都需要对它的关键参数进行测量，以保证使用都需要对它的关键参数进行测量，以保证使用的正确和精度的正确和精度，因而压电材料压电参数的测量方法也是必须了解和掌握的内容。通常压电材料的压电常数有：压电应变常数压电应变常数dij、压电电压常数、压电电压常数gij和压电劲度常数和压电劲度常数hij，本次课主要介绍压电应变常数dij的测量方法，其余参数的测量，大家可以查阅相应的的文献。1 静态测量法1.1 静态法测量压电应变常数d33(1)力-电荷法：当加在样品上的压力突然改变时，将使样品上产生的电荷发生变化，用冲击检流计测出电荷。砝码样品样品G极化方向冲击检流计静态法测量d33原理示意图试验步骤：按原理图接好电路，突然无冲击地提起砝码，读取冲击检流计上的偏转读书，从而得到电荷量Q。压电应变常数d33按下式进行计算：1.2 动态法测量压电应变常数d33 测量压电应变常数d33，采用长度纵向振动的样品。测量步骤：(1)测出样品的尺寸L和直径(2)测出样品的谐振频率fr和反谐振频率fa；(3)测量出fr和fa后，算出样品的机电耦合系数K33和恒电场下的弹性柔性系数S33：(4)测量出样品的自由电容C，并计算出样品的自由介电33=Ct/A；(5)得出d33数值：1.3 静态法测量压电应变常数d31 用静态法测量压电应变常数d31的方法与测量压电应变常数d33的方法基本相同，所不同的是，测量d33时的作用力方向与样品的极化方向是相互平行的，而与电极面相互垂直。可在测量d31，作用力方向与极化方向相互垂直，而与电极面相互平行。测量注意事项：(1)样品两端端面需细磨平整，不能凹凸不平；(2)要注意样品表面的清洁，且必须在相对湿度不大于65%的条件下进行测量。(3)必须进行多次测量，然后取其平均值；d31的计算：1.4 动态法测量压电应变常数d31测定压电应变常数d31采用长条横向伸缩振动的样品，其极化方向与电场方向相互平行，其变形位移方向与极化方向相互垂直。测量步骤：(1)测量样品的几何尺寸；(2)测量出样品的体积密度；(3)测量出样品的谐振频率fr和反谐振频率fa；(4)算出样品的弹性柔性系数S11=1/(4L2 fr)；(5)计算出样品的机电耦合系数 1/(K31)2=0.404 fr/(fa-fr)+0.595(6)测量出样品的自由介电常数33(7)得到压电应变常数d3111-35压电振子的振动模式压电陶瓷材料通常做成振子来测量其参数；通过研究振子的谐振特性来研究压电陶瓷材料。2 动态线路传输法12-35振子的振动方式称为振动模式压电振子是最基本的压电元件，它是指制备有电极的压电体，一般也称为压电谐振体。压电体的电能与机械能之间的转换（耦合）是就一定大小和形状的振子在特定条件下，借助于振动来完成的。压电振子在电场作用下，由于内部产生应力而形变，从而产生机械振动。13-35伸缩振动长度伸缩振动模式长度伸缩振动模式薄圆片径向伸缩振动模式薄圆片径向伸缩振动模式厚度伸缩振动模式厚度伸缩振动模式14-35压电振子的等效电路和谐振特性压电振子的等效电路和谐振特性当频率达到当频率达到fm时，输出电流最时，输出电流最大，振子的阻抗最小。大，振子的阻抗最小。fm称为称为压电振子的最小阻抗频率，或压电振子的最小阻抗频率，或最大传输频率。最大传输频率。当频率继续增大到当频率继续增大到fn时，输出时，输出电流最小，振子的阻抗最大。电流最小，振子的阻抗最大。fn称为最大阻抗频率，或最小称为最大阻抗频率，或最小传输频率。传输频率。2 动态线路传输法当信号频率从低当信号频率从低频向高频变化时，频向高频变化时，通过压电振子的通过压电振子的电流将随着输入电流将随着输入信号的频率变化信号的频率变化而变化。而变化。继续增加输入信号的频率，将有规律的出现一继续增加输入信号的频率，将有规律的出现一系列的电流次最大值或次最小值。系列的电流次最大值或次最小值。16-35根据谐振理论根据谐振理论在压电振子的最小阻抗频率在压电振子的最小阻抗频率fm附近，存在一个使信号电压和附近，存在一个使信号电压和电流同相位的频率，此频率称电流同相位的频率，此频率称为压电振子的谐振频率为压电振子的谐振频率fr。在压电振子的最大阻抗频率在压电振子的最大阻抗频率fn附近，也存在一个使信号电压附近，也存在一个使信号电压和电流同相位的频率，此频率和电流同相位的频率，此频率称为压电振子的反谐振频率称为压电振子的反谐振频率fa。对应于对应于fm1、fm2、fm3、还有还有fr1、fr2、fr3、。通常把。通常把fr称为基音频率或基频，把称为基音频率或基频，把fr1、fr2、fr3、称为泛音频率。称为泛音频率。17-35压电振子的等效电路L1为压电振子的动态电感，或等效电感；C1为压电振子的动态电容，或等效电容；R1为压电振子的动态电阻，或等效电阻；L1、C1、R1不是电学量，而是力学量，只是为了研究问题的方便，把其模拟成电学量。(1)得到压电振子的导纳 压电片的电路等效导纳为：其中：机电耦合系数为 波速；n=/v为波数；为振动频率；为压电片密度。fa为反共振频率，从而由上式可以得到机电耦合系数k31当 Y=0时，有：(2)机电耦合系数k31的确定：(3)介电常数的确定：测量低频压电片的电容CT，即可以得到其介电常数。(4)压电常数d31的确定：根据得到的压电柔顺常数、机电耦合常数和介电常数，即可以得到压电应变常数d31。3 动态位移响应法用直接测量压电片动态位移的方式来确定压电片的压电常数；方法推导：电极面在垂直于z方向的主要平面上，z方向极化，z方向施加电压。则其压电方程为：S1为x方向的应变、T1为x方向应力、d31为压电应变常数、D3为z方向的电位移、E3为z方向的电场强度。33为材料的介电常数。由于压电片长宽远大于厚度，因而由平剖面假设可得x方向的激励力式中为压电片x方向的位移，A为压电片的横截面积。上式中第一项为机械力，第二项为电场力如果将交变电场力看作外界激励，则压电片的振动为典型的强迫振动问题，设施加的电场为U=U0sin(t)，而外界机械力为零时，则电场力为：当=2f1，f1为模态阻尼为时，则压电片x方向的受迫振动位移响应为：其中k为压电片的伸缩刚度。由上面的推导可知，当电压和模态阻尼已知，即可以得到受迫振动的响应。再由响应得到压电材料参数d31。测量步骤:(1)测量出压电片x方向的一阶频率对应的模态阻尼；(2)测量得到x方向的振动速度X；(3)计算得到x方向的振动位移响应：X=X/(2f1)；(4)推算得到压电应变常数d314 双晶片测量法(1)参数测量原理 如下图所示的双层压电梁。其单层电方程可以简化为：1为x方向、3为z方向双层压电梁上梁极化方向为+z方向，下梁极化方向为-z方向，由对双层压电梁的受力分析可以得到挠度和施加电压的关系为：当x=L是，得到双层压电梁自由端部的挠度表达式为：从而得到d31的表达式：由该式可以得出：只要测量出双层压电梁端部在一定电场V和端部的挠度w和已知压电梁的几何参数即可以推出所用压电陶瓷材料的电学性能参数d31。5 双晶片测量法实例(1)测试试件 测试所用试件的几何尺寸为：502.0 0.3 mm。测试的电压环境为0700V，测试为V为50V，一共测试三个样本。单压电梁试件和双层压电梁的实物图(2)测试工具 采用德国Polytec公司生产的激光测振仪作为测量主要工具，其型号为OFV3001S，它是一种光纤位相型调制传感器，是一种可非接触式测量振动速度和位移的仪器，测量头的型号为OFV055，位移解码器的型号为VEX020。它的测试原理如下图所示。其余的测量设备还包括01500V可调电压源等设备。整个系统的测量示意图如下图所示。压电陶瓷电性能参数测量系统示意图(3)测试结果 下表为双晶片测量法和动态线路传输法及动态位移法的试验实测结果的比较。三种方法测量d31的比较(10-12 m/V)双晶片测量法线路传输法动态位移法220.1224.55,6232.45,66 等强度梁压电材料电学参数标定方法等强度梁压电材料电学参数标定方法等强度梁压电材料电学参数测试系统示意图等强度梁压电材料电学参数测试系统示意图 6.1 系统原理系统主要由以下几部分组成：(1)等强度梁：其几何尺寸为长度100cm，宽处7.8cm，窄处2.6cm，厚度1.0cm；(2)应变片：为浙江黄岩测试仪器厂生产的AAA级应变片；(3)动态应变仪：应变仪采用北戴河电子设备公司生产的CS型动态变仪。其动态范围为02MHz；(4)激振器：采用江苏联能电子技术公司生产的ZJK一5型强力电动式激振器。(5)信号发生器：信号发生器采用江苏联能电子技术公司生产的YE1311T型信号发生器。6.2 系统组成6.3 系统实物图动态应变仪实物图 信号发生器实物图 激振器和功率放大器实物图 示波器实物图 系统总实物图 6.4几种典型的标定曲线加载信号为加载信号为60Hz 加载信号为加载信号为100Hz 加载信号为非标准锤击信号加载信号为非标准锤击信号1 加载信号为非标准锤击信号加载信号为非标准锤击信号2 7 压电材料其它参数的测量(1)介电常数介电常数是综合反映电介质材料的介电性质或极化行为的一个宏观物理量，它表示材料两电极间的电介质的电容与真空状态时电容的比值。本实验采用相对介电常数33T/0来表征材料的介电性能，作如下计算：其中，D为样品的厚度，A为样品电极面积，d为样品的直径，CT为样品的电容，0为真空介电常数，其值为8.85410-12 F/m。(2)介质损耗tan介质损耗主要是由极化弛豫和介质漏电引起的。通常以电介质中存在一个损耗电阻Rn来表示电能的消耗。把通过介质的电流分成消耗能量的部分IR和不消耗能量的部分IC（即通过介质纯电容部分），定义介质损耗正切角为：tan=IR/IC=1/wCRn(w代表交变电场的角频率)。ENDTHANK YOU!