实验二压电材料的压电常数d测试
压电陶瓷性能实验报告
一、实验目的1. 了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。
2. 掌握压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。
3. 通过实验，掌握压电陶瓷的性能测试方法，并对实验数据进行处理和分析。
二、实验原理压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，当受到外力作用时，会在其表面产生电荷；反之，当施加电场时，压电陶瓷会产生形变。
压电陶瓷的性能主要包括压电系数、介电常数、损耗角正切、机械品质因数等。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：压电陶瓷样品2. 实验仪器：（1）电容测微仪（2）机械标定仪（3）直流电源（4）扫描隧道显微镜（5）谐振法测定仪（6）准静态法测定仪四、实验步骤1. 样品准备：将压电陶瓷样品清洗干净，并用无水乙醇进行脱脂处理。
2. 压电陶瓷性能测试：（1）电容测微仪测试：将压电陶瓷样品固定在电容测微仪上，通过改变直流电压，观察样品的轴向变形和弯曲变形。
（2）谐振法测定：将压电陶瓷样品固定在谐振法测定仪上，测量样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
（3）准静态法测定：将压电陶瓷样品固定在准静态法测定仪上，测量样品的压电常数d33。
3. 数据处理与分析：将实验数据输入计算机，进行数据处理和分析，得出压电陶瓷的性能参数。
五、实验结果与分析1. 电容测微仪测试结果：通过电容测微仪测试，得出压电陶瓷样品的轴向变形和弯曲变形与电压的关系曲线。
根据曲线，计算出样品的压电系数。
2. 谐振法测定结果：通过谐振法测定，得出压电陶瓷样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
根据曲线，计算出样品的介电常数和损耗角正切。
3. 准静态法测定结果：通过准静态法测定，得出压电陶瓷样品的压电常数d33。
根据测定结果，分析样品的压电性能。
六、实验结论1. 压电陶瓷样品具有良好的压电性能，满足实验要求。
2. 实验过程中，通过电容测微仪、谐振法测定和准静态法测定，分别获得了压电陶瓷样品的轴向变形、弯曲变形、频率响应曲线、压电耦合系数、介电常数、损耗角正切和压电常数等性能参数。
实验2压电陶瓷特性及振动的干涉测量
——压电常数
实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量
3. 压电陶瓷振动特性的研究
正弦信号的频率反映了振动
光电信 号(V)
A
的速度；
三角波一个周期内包含的正
驱动电 压(V)
弦波周期数量反映了振幅。
光电探头
R
G
激光器
1
时间 t(s)
提取信号
时间 t(s)
扩束镜 示
压电陶瓷附件波2T器分束镜反射
镜
反射镜
驱动 电压
驱动 电源
实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量
实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量
1. 压电陶瓷特性
l l0 a V
l0
3
——压电常数
1
2
图1 实验用的圆管形压电陶瓷
实验2 压电陶瓷特性及振动的干涉测量
2. 干涉法测量压电常数
l l0 a V
l0
a l V l0
l n 2
a n 2l0 V
压电材料
IT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
2 4e11 k 1C11
三、机电耦合系数 依 k 的定义式则:
不同方向 k 不同，因此有 k11, k22，k33，… kij 等， 例如，薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为 k31, 圆柱体轴向 伸缩模式的耦合系数为k33，方片厚度切变模式的耦合系数为 k15, 薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为 kP 等等。
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
四、介电常数 介电常数反映了材料的介电性质(或极化性质)，通常 用ε 表示。当压电材料的电行为用电场强度 E 和电位移 D 作变量来描述时，则有： D= ε E 考虑到 D 和 E 均为矢量，在直角坐标系中，上式可以表 示为以下的矩阵形式：
EXIT
第三章
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
压电材料的特征值
二、压电常数 应该指出，对于国际单位制有:
D=ε 0E+P 当外电场为零时，D=P，则上述各压电常数表示式中的 P 均可换为 D。ε 0为真空介电常数；D为压电体中的电位移。 它和极化强度P，电场强度E，应力T，应变均为矢量。
EXIT
第三章
§3.2
压电材料
EXIT
第三章
§3.1 压电效应的机理
压电材料
晶体共有 32 个点群，也就是按对称性分为 32 类。 其中20类是非中心对称的，它们有可能具有压电效应。 不过，无对称中心并不是产生压电效应的充分条件，即 使无对称中心并不足以保证具有压电性。 只有少数几种晶体材料才具有压电效应。 所有晶体在铁电态下也同时具有压电性，即对晶体施加 应力，将改变晶体的电极化。 但是，压电晶体不同时具有铁电性。 石英是压电晶体，但并非铁电体；钛酸钡既是压电晶体 又是铁电体。
压电陶瓷测试方法国标
压电陶瓷测试方法国标压电陶瓷是一种可以产生电荷和电势差的材料，具有压电效应。
为了保证压电陶瓷产品质量的准确性和可靠性，需要进行一系列测试。
以下是压电陶瓷测试的国际标准方法。
1.电感测量法电感测量法用于测量压电陶瓷元件的电感值。
测试时，将元件连接到测试电路中，以确保电感的准确测量。
在测试过程中，应注意保持环境恒温，并校准测试仪器。
2.动态机械特性测试动态机械特性测试用于评估压电陶瓷材料的机械性能。
测试方法包括材料的疲劳寿命测试、应变-力测试、失效测试等。
通过这些测试，可以评估材料的稳定性和可靠性。
3.压电常数测试压电常数是一个重要的参数，用于描述压电陶瓷材料的压电效应。
测试方法包括绝对压电常数和相对压电常数的测量。
测试时需要使用压电测试仪器，并进行准确校准。
4.电压系数测试电压系数是衡量压电陶瓷材料在电压变化下的应变变化的参数。
测试方法包括压电陶瓷材料在不同电压下的应变测量。
测试时，需要使用电压测试仪器，并进行准确校准。
5.热稳定性测试热稳定性测试用于评估压电陶瓷材料在高温环境下的性能。
测试方法包括高温膨胀系数的测量、热导率测试等。
通过这些测试，可以评估材料在不同温度范围内的性能稳定性。
6.密度测量密度测量是评估压电陶瓷材料质量的重要指标。
测试方法包括大小排列法、水排除法、放射射线法等。
测试时，需要选择适当的方法，并使用准确的仪器进行测量。
7.表面形貌测试表面形貌测试用于评估压电陶瓷材料的表面质量和形态。
测试方法包括光学显微镜、扫描电子显微镜等。
通过这些测试，可以评估材料的表面光滑度和微观结构。
以上是压电陶瓷测试的国际标准方法。
这些测试方法可以帮助生产厂家确保产品质量的可靠性和一致性，以满足市场需求和客户需求。
材料压电系数的测定
在测量时需要把材料作成若干个所谓标准样品。“标准” 的含义是样品的取向、形状、尺寸和电极的配置符合理论 的要求。因为测量和计算中用到的关系式是求解压电振动 方程的结果，只有在一定的边界条件下才能成立。激励电 场的方向垂直于样品的主平面时，称为垂直场激发，平行 时称为平行场激发。 不同的点群材料，它们的压电参量的独立分量不同，测 量方法随之不同。下面针对两个代表性的压电点群，具体 介绍测量方法。
式中t是厚度，A=wl是电极面积 对于第一种样品，利用垂直场激发厚度伸缩模，测一系列基音和泛音谐 振频率，得出频率比，查表得出厚度伸缩振动机电耦合因数 kt。该样品 的反谐振频率 f a 为
1 E c33 n 2 f an [ ] 2t (1 kt2 )
n=1,3,5…
式中ρ为密度。测出
y y
x
x
c ) ]
E 44 x 11
1 2
x
1 2
e22
{[(
y y
x
) c ] }
E 66 x 11
x
其中
c
x
x1
c x 2 , y c y1 c y 2
x
c x1 c x 2 , y c y1 c y 2
其它压电常量，有
E 11 E 12 E 33 13 X E 11 11
1 2
弹性常量：
D E 2 x 2 x c11 c11 e22 / 11 e31 / 33
D E 2 x 2 x c12 c12 e31 / 33 e22 / 11
D E x c13 c13 e13e33 / 33
E E E s66 2(s11 s12 )
《压电陶瓷切变压电应变常数d15准静态法测量》
《压电陶瓷切变压电应变常数d15准静态法测量》编制说明（征求意见稿）中国科学院声学研究所2011年4月《压电陶瓷切变压电应变常数d15准静态法测量》编制说明1任务来源和要求2010年下半年国家标准化管理委员会下达了行业标准《压电陶瓷切变压电应变常数准静态法测量》的编制任务，项目计划号2009－2777T-SJ，计划要求2010年完成送审d15稿编制。
该任务由中国科学院声学研究所承担主编。
2编制过程2.1编制原则按照GB/T 1.1─2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》进行本标准的编制。
2.2编制工作过程2010年下半年由本标准归口单位“工业和信息化部标准化研究所“给”中国科学院声学研究所“下达了该项标准的编制任务，任务落实到专业对口的水声换能器与测试技术实验室。
随后成立了由我所相关专业技术骨干和标准化管理人员组成的编制组。
编制组依据准静态法测量方法相关研究工作的基础上，在2011本所在压电陶瓷切变压电应变常数d15年2月完成了标准初稿的编制，2011年3月所组织有关专家对标准初稿进行了讨论和修改，形成了标准的征求意见稿。
3 主要技术内容说明的测量标准，目前无论在国际和国内都只有动态法的测压电陶瓷切变压电应变常数d15量标准，例如IEEE国际标准［1］，国家标准［2］。
它们都是基于动态法的原理，通过测量标准样品（样品的长度，宽度和厚度等要求符合一定的比例）的串联共振频率fs和并联共振频率fp，以及材料的密度，几何尺寸，介电常数ε等经过计算得到。
一般来说，动态法，其正确度高，如对于横向模式及纵向模式就是这样；但对于厚度模式和厚度切变模式其正确度就不很理想，原因是厚度模式及厚度切变模式时的导纳（或阻抗）—频率特性曲线不单纯（常有横向模高次谐波的干扰），导致难以正确判定fs和fp,也就难以保证其正确度，且动态法测量手续繁复，费时。
上世纪70年代，国际上出现了基于准静态原理测量压电常数的仪器，80年代中期，国内也有了该类产品。
(完整版)实验二：压电材料的压电常数d33测试
F F F-++-F Q压电介质正压电效应逆压电效应机械能电能图2 压电效应的可逆性压电式传感器大都采用压电材料的正压电效应制成。
大多数晶体都具有压电效应，而多数晶体的压电效应都十分微弱。
2、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种经过极化处理后的人工多晶铁电体。
多晶是指它由无数细微的单晶组成，所谓铁电体是指它具有类似铁磁材料磁畴的电畴结构，每个单晶形成一单个电畴，这种自发极化的电畴在极化处理之前，个晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷的极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。
为使其具有压电性，就必须在一定温度下做极化处理。
图3 陶瓷极化过程示意图 图4 束缚电荷与自由电荷排列示意图所谓极化处理，是指在一定温度下，以强直流电场迫使电畴自发极化的方向转到与外加电场方向一致，作规则排列，此时压电陶瓷具有一定的极化强度，再使温度冷却，撤去电场，电畴方向基本保持不变，余下很强的剩余极化电场，从而呈现压电性，即陶瓷片的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。
如图3所示。
由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，故此陶瓷片对外不呈现极性。
如图4所示。
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。
当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。
放电电荷的多少与外力成正比例关系33q d F （1）其中33d 是压电陶瓷的压电系数，F 为作用力。
图5 静态法测量压电常数装置图测量时，为了避免施加力F3时会有附加冲击力而引起测量误差，一般加压时会合上电键K1，使样品短路而清除加压所产生的电荷。
实验2压电陶瓷特性及振动的干涉测量
压电陶瓷的应用
在振动测量、声学、医学 成像等领域，压电陶瓷作 为传感器用于测量压力、 振动等物理量。
振动干涉的基本原理
干涉现象定义
当两束或多束相干波相遇时，它 们在某些区域相互加强，在某些 区域相互抵消，这种现象称为干
在实验过程中，可能存在的误差来源 包括测量设备的精度、环境温度和湿 度的波动、人为操作误差等。
误差分析
我们分析了每个误差来源对实验结果 的影响程度，并计算了它们的标准偏 差。结果表明，这些误差对实验结果 的影响较小，可以忽略不计。
05 结论与展望
实验结论总结
压电效应，其形变量与施加电压成
样分析物体的振动模式和振幅。
学习使用干涉仪器的操作方法，包括调 节干涉图样、测量振动位移和速度等参 数，以及如何分析测量数据以获取压电
陶瓷的振动特性。
02 实验原理
压电陶瓷的压电效应
01
02
03
压电效应定义
压电陶瓷在受到外力作用 时会产生电压，这种由压 力变化产生电场的现象称 为压电效应。
压电陶瓷的特性
实验2：压电陶瓷特性及振动的干 涉测量
目 录
• 实验目的 • 实验原理 • 实验步骤 • 实验结果分析 • 结论与展望
01 实验目的
了解压电陶瓷的特性
压电陶瓷是一种特殊的材料，具有将机械能转换为电能或将 电能转换为机械能的能力。在实验中，我们将通过观察压电 陶瓷的振动模式和响应特性，深入了解其压电效应的原理和 应用。
了解压电陶瓷的介电常数、压电常数和机电耦合系数等关键 参数，这些参数决定了压电陶瓷的能量转换效率和性能。
学习振动干涉测量的原理和方法
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若施加力为F3，则在电极上产生的总电荷为
Q3=d33F3 (1-39)
静态法的测量装置如图5所示，线路中的电容C的作用是为了使样品所产生的电荷都能释放到电容上。
因此，要求电容C越大越好，一般选择的为样品电容的几十到一百倍的低损耗电容。
图5 静态法测量压电常数装置图
测量时，为了避免施加力F3时会有附加冲击力而引起测量误差，一般加压时会合上电键K1，使样品短路而清除加压所产生的电荷。
去压时先打开电键K1，使样品上所产生的电荷全部释放到电容上，用静电计测其电压V3（伏），用下式求出：
Q3=(Co+C1)V3 (1-40)
式中，C3为样品的静电容（法）；C为外加并联电容（法），V3为电压（伏）。
（2）动态法
压电陶瓷材料的大部分参数都可以通过测量频率Fs和fa来确定。
生产上都采用动态法中的传输法。
图6给了一种简单的测量线路。
图6 简易动态法测量
这种测量线路过于简单，有一些缺点，为了克服简单测量线路的缺点，通常采用图7所示的常用测量线路。
在振子两端有连接的电阻Ri，RT和RTo。
一般选择Ri≥10RT′，RT= RT′及RT小于振子的等效电阻R1。
这一测量电路中每个电阻的作用及阻值选择理由如下。
选择RT′≤R1/10，既RT′较下，而振子又与RT′并联，这样，振子的阻抗Z虽然随频率变化很大，但Z与RT′并联后的和阻抗随频率的变化却很小，因此，可以认为输入电压几乎保持不变。
可以选择（Ri+ RT′）等于信号发生器的输出阻抗和频率计的输入阻抗与（Ri+ RT′）相并联，而RT′又与振子并联，当RT′小时，它能隔离信号发生器输出电抗和频率计输入电抗对振子的影响，因此，可以提高测量fm和fn的精度。
对RT值选择是一个重要的问题。
因为RT与振子相串联，特别是振子谐振时，RT就是串联谐振电路中电阻的一部分。
RT大时，会影响谐振曲线的尖锐度，使谐振指示不准确，造成测量误差，所以要求RT越小越好。
另一方面，振子阻抗随频率的变化是通过RT上的电压变化反映到毫伏表中，为了使毫伏表能灵敏地反映这个变化，就希望大一点好。
兼顾这两方面的要求，一。