压电陶瓷阻抗特性分析
压电陶瓷性能参数解析
压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。
在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。
由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。
根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。
（2）介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。
在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同相），由电导过程所引起的；一种为无功部分（异相），是由介质弛豫过程所引起的。
介质损耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示，Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I的夹角为δ，其正切值为(1-4)式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。
由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。
通常用tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。
处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。
处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。
此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。
（3）弹性常数压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。
设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的应变为S，则根据胡克定律，应力T与应变S之间有如下关系S=sT(1-5)T=cS(1-6)式中，S为弹性顺度常数，单位为m2/N；C为弹性劲度常数，单位为N/m2。
但是，任何材料都是三维的，即当施加应力于长度方向时，不仅在长度方向产生应变，宽度与厚度方向上也产生应变。
压电陶瓷阻抗特性分析
压电陶瓷阻抗特性分析摘要：本文以压电陶瓷阻抗为研究对象，首先介绍了压电陶瓷的等效模型，然后进一步分析等效模拟的匹配及效率，对比验证推理及测试结果，推出压电陶瓷阻抗特性的关系，希望可以为有需要的人提供参考意见。
关键词：压电陶瓷、阻抗分析、阻抗匹配、效率一、压电陶瓷等效电路模型在狭窄的谐振频率范围内，压电陶瓷电路模型可以用以下电路来等效：其中，称为静态电容，称为等效电容，称为等效电感，称为等效电阻。
与晶片的尺寸、电极布置方式等有关，可以用Q表电容表在远低于其谐振频率的频率上直接测得。
串联支路上的、谐振时的频率就是串联谐振频率，在频率较低时，的容抗远大于等效电阻，对测量的值的影响可以忽略。
其总阻抗为：在、和组成的串联电路中，其阻抗特性如下图所示：和决定了压电陶瓷的串联谐振频率，其值为：在这个谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极小值，并且，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的发射体。
在时，和组成的串联电路呈感性，与并联等效电容组成并联谐振，其阻抗特性如图3所示：在这个并联谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极大值，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的接收器。
实测结果为。
综合图2和图3，可以绘出压电陶瓷在谐振频率附近的阻抗特性如图4所示：由图4可以得出，若使，换能器处于最佳发射状态，但接收效率最低。
若使,换能器处于最佳接受状态，但发射效率最低。
所以应该在和之间折中选择。
如果使用的是2的驱动频率，所以应选择标称谐振频率（即串联谐振频率）为1.9偏下为宜。
二、超声换能器阻抗匹配通过对超声换能器的研究可知，当压电陶瓷的工作频率远低于其固有频率时，压电陶瓷的电学特性等效于一个电容器，通常称此电容为静态电容，即图1中的,可通过电容表直接测得，在超声换能器工作过程中近似为常数。
超声换能器是一种机电转换元件，具有电学和机械两种端口。
在机械端是通过声学元件与声学负载相连，在电端则是通过匹配电路与超声功率源相连。
声学匹配的好坏决定换能器的技术特性和应用场合，而电匹配的优劣则直接影响超声设备的作用效果。
超声换能器阻抗和相位测试压电陶瓷
超声换能器(压电陶瓷)的阻抗和相位测试1、超声波换能器，英文名称为Ultrasonic transducer，是一种将高频电能转换为机械能的能量转换器件。
其常被用于超声波清洗机、超声波焊接机、三氯机、气相机等设备中，在农业、工业、生活、交通运输、军事、医疗等领域内都得到了广泛的应用。
2、超声波换能器原理- -结构超声波换能器主要包括外壳、声窗(匹配层)、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆、Cymbal阵列接收器等几大部分构成。
其中，压电陶瓷圆盘换能器起到的作用和一般的换能器相同，主要用于发射并接受超声波;而在压电陶瓷圆盘换能器的上面是Cymbal阵列接收器，主要由引出电缆、Cymbal换能器、金属圆环和橡胶垫圈组成，用作超声波接收器，接受压电陶瓷圆盘换能器频带外产生的多普勒回拨信号。
3、超声波换能器原理- -应用(1)超声波清洗机利用超声波在清洗液中不断地进行传播来清洗物体上的污垢，其超声波振动频率便是由超声波换能器决定的，可根据清洗物来设定不同的频率以达到清洗的目的。
(2)超声波焊接机利用超声波换能器产生超声波振动，振动产生摩擦使得焊区局部熔化进而接合在一起。
(3)超声波马达中并不含有超声波换能器，只是将其定子近似为换能器，利用逆压电效应产生超声波振动，通过定子与转子的摩擦进而带动转子转动。
(4)超声波减肥和医疗美容仪器利用超声波换能器产生机械振动，将脂肪细胞振碎并排出体外，进而达到减肥的效果。
（5）电子血压计，利用超声波换能器接收血管的压力, 当气囊加压紧压血管时, 因外加压力高于血管舒张压力, 超声波换能器感受不到血管的压力; 而当气囊逐渐泄气, 超声波换能器对血管的压力随之减小到某一数值时, 二者的压力达到平衡, 此时超声波换能器就能感受到血管的压力, 该压力即为心脏的收缩压, 通过放大器发出指示信号, 给出血压值。
电子血压计由于取消了听诊器, 可减轻医务人员的劳动强度。
医学超声成像技术、X-CT、MRI及ECT是现代医学成像技术的四大医学影像技术,己广泛应用于心脏科、产科、眼科、肝、。
陶瓷的阻抗原理是什么原理
陶瓷的阻抗原理是什么原理陶瓷的阻抗原理是指陶瓷材料在交流电场下的电阻、电感和电容性质。
陶瓷材料是一种非金属无机化合物，具有高熔点、高硬度、耐磨损、化学稳定性好等特点。
在使用中，它常常作为绝缘体、电介质和传感元件等领域的重要材料。
陶瓷材料的导电性能与其内部结构和化学组成密切相关。
陶瓷材料具有较高的伊辛模量，这意味着它们具有较高的抵抗性，电流不易通过。
与金属材料相比，陶瓷材料的电导率很低，因此陶瓷通常被视为绝缘体。
然而，陶瓷材料的导电行为与其他材料相比也具有一些特殊性。
陶瓷材料可以显示电子的微弱动能，具有电阻、电感和电容性质。
首先，陶瓷材料的电阻性质指的是在交流电场下的电阻行为。
陶瓷材料本身具有较高的电阻率，可以起到隔离电流的作用，因此可以用作电气绝缘材料。
陶瓷材料的电阻与其晶体结构、化学成分和杂质含量等因素密切相关。
特别是在高温下，陶瓷材料的电阻特性会发生改变，可以由金属导体向半导体或超导体过渡。
其次，陶瓷材料的电感性质指的是在交流电场下的电感行为。
陶瓷材料的微小电感主要是由于其结构中的电荷分布不均匀引起的，这导致了一些局部电流环路。
通常情况下，陶瓷材料的电感较小，但在特定频率范围内会发生共振现象，这是因为材料的结构和电场之间发生了共振耦合。
最后，陶瓷材料的电容性质指的是在交流电场下的电容行为。
陶瓷材料中存在不同的电离态和局部电场，导致了局部电荷分布不均匀。
因此，陶瓷材料可以存储电场能量，并表现出一定程度的电容效应。
与传统的电容器相比，陶瓷材料的电容性质更加复杂，其电容值可以通过材料结构的改变而发生变化。
综上所述，陶瓷的阻抗原理是指在交流电场下，陶瓷材料具有电阻、电感和电容性质。
陶瓷材料的电导率较低，但电阻特性受到晶体结构、化学成分和杂质等因素的影响。
陶瓷材料的电感性质主要是由于局部电流环路引起的微小电感，而电容性质则是由于电离态和局部电场的存在而导致的电容效应。
这些电阻、电感和电容行为在陶瓷制备和使用中起着重要的作用，使得陶瓷材料在电子电气、绝缘、传感和电容等领域有着广泛的应用前景。
3iFe03-PbTi03系高温压电陶瓷的阻抗谱分析
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近年来 ， 为满足在苛刻条件下使 用传 感器和换 能 器 的 需 求 ， 温 压 电 材 料 引 起 了 越 来 越 多 的关 高 注 ６． ＢＦ Ｏ 一ｂ ｉ （Ｂ —Ｉ）是 由 三 方 结 构 １３ ｉｅ Ｐ ＴＯ － ＦＰ ＇ ＢＦ Ｏ 和 四方结构 Ｐ ＴＯ 构成的固溶体． ｉｅ ｂ ｉ 与传统锆
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第 １ ７卷 第 ４期 ２１ ０ １年 ８月
上 海 大 学 学 报 （ 然 科 学 版） 自
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Ｖｏ ． ７ Ｎｏ ４ １１ ．
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压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数
压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数压电陶瓷材料是一种具有压电效应的材料，可将机械的压力或应力转化为电能，同时也可以将电能转化为机械的压力或应力。
因此，对于压电陶瓷材料的测试，需要关注以下13个基本参数。
1.介电常数（Dielectric constant）：介电常数是指材料在电场作用下的电极化能力，是压电陶瓷材料的一个重要指标。
介电常数越大，材料的电极化能力越强。
2.电容（Capacitance）：电容是指单位电压下存储的电荷量，通常以法拉（F）为单位。
对于压电陶瓷材料，电容可以用来判断材料的电性能。
3.压电系数（Piezoelectric coefficient）：压电系数是指压电材料产生的电荷与施加在材料上的应力或压力之间的比例关系。
压电系数可以分为压电应力系数和压电应变系数。
4.机械耦合系数（Electromechanical coupling coefficient）：机械耦合系数是指压电陶瓷材料在机械和电学特性之间的耦合程度。
该参数描述了材料将电能转化为机械能或将机械能转化为电能的能力。
5.压电应用温度范围（Operating temperature range）：压电陶瓷材料在不同温度下的性能是不同的，因此需要确定材料的工作温度范围。
过高或过低的温度可能会影响材料的性能。
6.力常数（Force constant）：力常数是指压电材料在单位面积上所承受的力与电压或电荷之间的比例关系。
力常数可以用来描述材料的力学特性。
7.色散（Dispersion）：色散是指压电陶瓷材料的压电性能随着频率的变化而产生的变化。
了解材料的色散特性可以优化材料的应用。
8.应力-应变曲线（Stress-strain curve）：应力-应变曲线描述了在施加外力或压力时，材料的应力和应变之间的关系。
通过绘制应力-应变曲线，可以获得材料的力学性能。
9.电化学稳定性（Electrochemical stability）：压电陶瓷材料应具有良好的电化学稳定性，以确保其在一定电压或电流下不发生电化学反应。
压电陶瓷声阻抗
压电陶瓷声阻抗压电陶瓷声阻抗是指在声波作用下产生的电压和电流之间的比值。
压电陶瓷是一种特殊的材料，具有压电效应，即在施加力或压力时会产生电荷分离。
由于压电陶瓷具有可逆的压电效应和逆压电效应，使得它在许多领域中得到广泛应用。
声阻抗是声波传播过程中介质对声波的阻抗，它包括声波在空气和介质之间的传播阻抗和介质本身的阻抗。
而压电陶瓷的声阻抗与其压电性能密切相关。
压电陶瓷的声阻抗与其物理特性密切相关。
首先，压电陶瓷的声阻抗与其压电系数有关。
压电系数是指材料在压电效应下产生的电荷与压力或应变之间的比例关系。
压电陶瓷的压电效应使得其能够将声波转换为电信号或反过来，将电信号转换为声波。
其次，压电陶瓷的声阻抗与其密度和声速有关。
密度越大，声阻抗越大；声速越小，声阻抗越小。
最后，压电陶瓷的声阻抗还与其厚度有关。
压电陶瓷越厚，声阻抗越大。
压电陶瓷的声阻抗对于一些特定应用非常重要。
例如，在无损检测中，声阻抗的匹配可以增强信号的传输和检测的准确性。
同时，在超声波治疗中，声阻抗的匹配可以提高能量的传递效率，从而更好地治疗病变组织。
此外，在声纳系统和声学传感器中，压电陶瓷的声阻抗也是关键参数，它可以影响声波的传播和接收效果。
为了提高压电陶瓷的声阻抗匹配，可以采取一些措施。
首先，可以通过改变压电陶瓷的尺寸和厚度来调节声阻抗。
其次，可以利用特殊的耦合层或缓冲层来增加声阻抗的匹配性能。
还可以通过选择合适的接触材料和设计合适的结构来提高声阻抗的匹配效果。
总之，压电陶瓷的声阻抗是指在声波作用下产生的电压和电流之间的比值。
它与压电陶瓷的物理特性密切相关，包括压电系数、密度、声速和厚度等。
压电陶瓷的声阻抗对于一些应用非常重要，如无损检测、超声波治疗和声纳系统等。
为了提高声阻抗的匹配性能，可以采取一些措施，如改变尺寸和厚度、使用耦合层和设计合适的结构等。
通过优化声阻抗的匹配，可以提高压电陶瓷的应用效果。
压电陶瓷高温电阻率
压电陶瓷高温电阻率
压电陶瓷是一种能够将机械压力转换为电信号的功能材料，具有压电效应。
在高温环境下，压电陶瓷的电阻率是一个重要的参数，因为它会影响压电陶瓷的电学性能和可靠性。
对于高温压电陶瓷材料，其电阻率通常会随着温度的升高而降低。
这是由于在高温下，材料中的离子运动会加剧，导致电子的散射增加，从而降低了材料的导电性。
因此，高温压电陶瓷的电阻率通常较低，这可能会限制其在高温环境下的应用。
为了提高高温压电陶瓷的电阻率，可以采取以下措施：
1. 优化材料的成分：通过调整压电陶瓷的化学成分，可以改变材料的晶体结构和电子能带结构，从而提高其电阻率。
2. 改进制备工艺：优化制备工艺可以控制材料的晶粒尺寸、晶界密度和缺陷密度，从而减少电子的散射，提高材料的电阻率。
3. 引入掺杂：通过在压电陶瓷中引入适量的杂质，可以改变材料的电导率，从而提高其电阻率。
4. 表面处理：对压电陶瓷的表面进行处理，如涂层或镀膜，可以减少表面漏电，提高材料的电阻率。
5. 复合材料设计：将压电陶瓷与高电阻率的材料复合，可以利用复合材料的界面效应和协同作用，提高整体材料的电阻率。
提高高温压电陶瓷的电阻率是一个复杂的问题，需要综合考虑材料的成分、制备工艺、掺杂和表面处理等因素。
通过优化这些参数，可以有效地提高高温压电陶瓷的电阻率，拓展其在高温领域的应用。
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压电陶瓷阻抗特性分析
摘要：本文以压电陶瓷阻抗为研究对象，首先介绍了压电陶瓷的等效模型，然
后进一步分析等效模拟的匹配及效率，对比验证推理及测试结果，推出压电陶瓷
阻抗特性的关系，希望可以为有需要的人提供参考意见。
关键词：压电陶瓷、阻抗分析、阻抗匹配、效率
一、压电陶瓷等效电路模型
在狭窄的谐振频率范围内，压电陶瓷电路模型可以用以下电路来等效：
其中，称为静态电容，称为等效电容，称为等效电感，称为等效电阻。
与晶片的尺寸、电极布置方式等有关，可以用Q表电容表在远低于其谐振频率的频率上
直接测得。
串联支路上的、谐振时的频率就是串联谐振频率，在频率较低时，的容抗远大于
等效电阻，对测量的值的影响可以忽略。
其总阻抗为：
在、和组成的串联电路中，其阻抗特性如下图所示：
和决定了压电陶瓷的串联谐振频率，其值为：
在这个谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极小值，并且，在附近，压电陶瓷晶片是一个
效率最高的发射体。
在时，和组成的串联电路呈感性，与并联等效电容组成并联谐振，其阻抗特性如图3所示：
在这个并联谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极大值，在附近，压电陶瓷晶片是一个效
率最高的接收器。
实测结果为。
综合图2和图3，可以绘出压电陶瓷在谐振频率附近的阻抗特性如图4所示：
由图4可以得出，若使，换能器处于最佳发射状态，但接收效率最低。
若使,换能器处于
最佳接受状态，但发射效率最低。
所以应该在和之间折中选择。
如果使用的是2的驱动频率，所以应选择标称谐振频率（即串联谐振频率）为1.9偏下为宜。
二、超声换能器阻抗匹配
通过对超声换能器的研究可知，当压电陶瓷的工作频率远低于其固有频率时，压电陶瓷
的电学特性等效于一个电容器，通常称此电容为静态电容，即图1中的,可通过电容表直接测得，在超声换能器工作过程中近似为常数。
超声换能器是一种机电转换元件，具有电学和机械两种端口。
在机械端是通过声学元件
与声学负载相连，在电端则是通过匹配电路与超声功率源相连。
声学匹配的好坏决定换能器
的技术特性和应用场合，而电匹配的优劣则直接影响超声设备的作用效果。
电路阻抗不匹配
在低频时造成能量传输效率低和能量浪费，在高频时会造成杂讯，使信号的能量反弹，使原
来的信号产生异变形。
为了实现超声换能器的阻抗匹配，需要对压电陶瓷的等效电路进一步简化，通过等效转换，可以将图1所示电路简化成电阻与电抗串联，在实际运用时，时，超声换能器呈现容性，所以电抗呈现容性，记为，如图5，要想使换能器获得最大功率，需要进行共轭匹配，即负
载的实部与功率源相等，虚部互为相反数。
需要在换能器和功率源之间加入匹配电路，这个
匹配电路通常由电感和变压器组成。
三、电感+变压器降压匹配
电感+变压器降压匹配电路图6所示。
其中，为超声换能器的等效阻抗，为加入匹配电路后，匹配电路两端的等效阻抗，为超声功率源的阻抗。
和分别为变压器初级和次级的匝数，
为电感的直流电阻。
其中，是变压器等效电感的阻抗，视作理想变压器时，可忽略。
由上式可知，匹配电路先通过调节变压器的匝数比实现电阻匹配，再调节电感实现电抗
匹配。
匹配模型电阻的调节范围为。
如固定，调节，则变压器的调节精度和能量传输效率分
别为：
四、结语
根据晶片的阻抗特性曲线和晶片的测试结果以及综合考虑换能器的发射和接收效率，建
议选择谐振频率的晶片，并对其进行分组从而控制一个换能器内晶片的误差。
根据对换能器等效电路和匹配电路的研究，建议在变压器次级和换能器之间串接合适的
电感达到电抗匹配的目的。
对于电阻匹配部分，还需要用仪器比较精准的测出之后才能真正
做到电阻匹配，实现最大功率传输。