試驗(yàn)二：壓電材料的壓電常數(shù)d33測(cè)試

1、物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告專業(yè)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)名稱班級(jí)L姓名學(xué)號(hào)壓電材料的壓電常數(shù) d33 測(cè)試實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)日期【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）掌握準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)試儀的使用方法以及測(cè)量壓電常數(shù)d33。（2）熟悉壓電材料壓電效應(yīng)的基本原理【實(shí)驗(yàn)儀器】YE2730A準(zhǔn)靜態(tài)壓電常數(shù)d33測(cè)試儀；PZT壓電陶瓷樣品；PMN壓電陶瓷樣品【實(shí)驗(yàn)原理】壓電材料（piezoelectric material）,受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的品體材料。1880 年,法國(guó)物理學(xué)家P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會(huì)產(chǎn)生電荷，電 荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。1、壓電效應(yīng)某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向施

2、加壓力或拉力時(shí)，會(huì)發(fā)生形變，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí), 其外表面上產(chǎn)生極性相反的電荷；當(dāng)外力拆掉后，乂恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力方向反向時(shí), 電荷極性也相反；電荷量與外力大小成正比。這種現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。如圖1所示。（正）壓電效應(yīng)反之，當(dāng)對(duì)某些物質(zhì)在極化方向上施加一定電場(chǎng)時(shí)，材料將產(chǎn)生機(jī)械形變，當(dāng)外電場(chǎng)撤銷時(shí)，形 變也消失，這叫逆壓電效應(yīng)，也叫電致伸縮。壓電效應(yīng)的可逆性如圖62所示。利用這一特性可 實(shí)現(xiàn)機(jī)一電能量的相互轉(zhuǎn)換。正壓電效應(yīng)機(jī)械能壓電介質(zhì)電能4逆壓電效應(yīng)圖2壓電效應(yīng)的可逆性壓電式傳感器大都釆用壓電材料的正壓電效應(yīng)制成。大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，而多數(shù)晶 體的壓電效應(yīng)都十分微弱。2

3、、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)一定溫度下做極化處理。加直流電場(chǎng)極化前扱化后口由電荷/電極十十十十十十十十 /束縛電荷+壓電陶瓷是一種經(jīng)過(guò)極化處理后的人工多晶鐵電體。多晶是指它山無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶組成，所 謂鐵電體是指它具有類似鐵磁材料磁疇的電疇結(jié)構(gòu)，每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，這種自發(fā)極化的 電疇在極化處理之前，個(gè)晶粒內(nèi)的電疇按任意方向排列，自發(fā)極化的作用相互抵消，陶瓷的極化 強(qiáng)度為零，因此，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。為使其具有壓電性，就必須在f極化極化過(guò)程示意圖3陶瓷極化過(guò)程示意圖 圖4束縛電荷與自山電荷排列示意圖所謂極化處理，是指在一定溫度下，以強(qiáng)直流電場(chǎng)迫使電疇自發(fā)極化的方向轉(zhuǎn)到與外加電場(chǎng)

4、 方向一致，作規(guī)則排列，此時(shí)壓電陶瓷具有一定的極化強(qiáng)度，再使溫度冷卻，撤去電場(chǎng)，電疇方 向基本保持不變，余下很強(qiáng)的剩余極化電場(chǎng)，從而呈現(xiàn)壓電性，即陶瓷片的兩端出現(xiàn)束縛電荷， 一端為正，另一端為負(fù)。如圖3所示。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的極化兩端很快吸附一層 來(lái)自外界的自山電荷，這時(shí)束縛電荷與自山電荷數(shù)值相等，極性相反，故此陶瓷片對(duì)外不呈現(xiàn)極 性。如圖4所示。如果在壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力，陶瓷片產(chǎn)生圧縮變形，片內(nèi)的束縛電荷 之間距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度變小，因此吸附在其表面的自山電荷，有一部分被釋放 而呈現(xiàn)放電現(xiàn)象。半撤銷壓力時(shí)，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度增大，因此乂吸附

5、一部分自山電荷 而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種因受力而產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，就是壓?陶瓷的正壓電效應(yīng)。放電電荷的多少與外力成正比例關(guān)系（1）q = GF 其中仏3是壓電陶瓷的壓電系數(shù)，F(xiàn)為作用力。壓電陶瓷在極化方向上的壓電效應(yīng)最明顯。我們把極化方向叫Z軸，垂直于Z軸平面上的任 何直線都可作為X軸（或丫軸）。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷 制作的壓電式傳感器的靈敬度較高，但剩余極化強(qiáng)度和特性受溫度影響較大。最早使用的壓電陶 瓷材料是鈦酸做（加門厲）。它是山碳酸鎖和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成。它的壓電系 數(shù)約為石英的50倍，但使用溫度較低，最高只有7

6、0°C,溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。tl前使用較多的壓電陶瓷是錯(cuò)鈦酸鉛（PZT系列），它是鈦酸1 （ BaTiO）和鉗酸鉛（乃） 組成的刃乂乃力）。3。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。規(guī)鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展 起來(lái)的壓電陶瓷。它由錠鎂酸鉛（"（Mgl/3Nb2/3）O3）、錯(cuò)酸鉛和鈦酸鉛按不同比例配成的不 同性能的壓電陶瓷，它具有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。3、壓電參數(shù)的測(cè)量方法壓電陶瓷材料的壓電參數(shù)的測(cè)量方法棋多，有電測(cè)法，聲測(cè)法，力測(cè)法和光測(cè)法等，這些方法中 以電測(cè)法的應(yīng)用最為普遍。在利用電測(cè)法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，山于壓力體對(duì)力學(xué)狀態(tài)極為

7、敬感，因此， 按照被測(cè)樣品所處的力學(xué)狀態(tài)，乂可劃分為動(dòng)態(tài)法，靜態(tài)法和準(zhǔn)靜態(tài)法等。（1）靜態(tài)法靜態(tài)法是被測(cè)樣品處于不發(fā)生交變形變的測(cè)試方法，主要用于測(cè)試圧電常數(shù)，測(cè)試樣品上加 一定大小和方向的力，根據(jù)壓電效應(yīng)，樣品將因形變而產(chǎn)生一定的電荷。D33=d33T?若施加力為F3,則在電極上產(chǎn)生的總電荷為Q尸小3已（1-39）靜態(tài)法的測(cè)量裝置如圖5所示，線路中的電容C的作用是為了使樣品所產(chǎn)生的電荷都能釋 放到電容上。因此，要求電容C越大越好，一般選擇的為樣品電容的兒十到一百倍的低損耗電 容。1 靜電計(jì);26加壓裝置的絕緣座,3.5加壓裝置的上下引出電極.4試悴2并聯(lián)電容器；X短 路開關(guān)屮,一施加于試徉的

8、力屮圖5靜態(tài)法測(cè)量壓電常數(shù)裝置圖測(cè)量時(shí)，為了避免施加力F3時(shí)會(huì)有附加沖擊力而引起測(cè)量誤差，一般加壓時(shí)會(huì)合上電鍵K1, 使樣品短路而清除加壓所產(chǎn)生的電荷。去壓時(shí)先打開電鍵K1,使樣品上所產(chǎn)生的電荷全部釋放 到電容上，用靜電計(jì)測(cè)其電壓V3 （伏），用下式求出：Q3=（Co+Cl）V3（l-40）式中，C3為樣品的靜電容（法）；C為外加并聯(lián)電容（法），V3為電壓（伏）。（2）動(dòng)態(tài)法壓電陶瓷材料的大部分參數(shù)都可以通過(guò)測(cè)量頻率Fs和fa來(lái)確定。生產(chǎn)上都采用動(dòng)態(tài)法中的 傳輸法。圖6給了一種簡(jiǎn)單的測(cè)量線路。信號(hào)源和頻率計(jì)壓電體HDH亳伏表圖6簡(jiǎn)易動(dòng)態(tài)法測(cè)量這種測(cè)量線路過(guò)于簡(jiǎn)單，有一些缺點(diǎn)，為了克服簡(jiǎn)單測(cè)量線

9、路的缺點(diǎn)，通常采用圖7所示的常用 測(cè)量線路。在振子兩端有連接的電阻Ri, RT和RTo。一般選擇Ri>10RT RT=RF及RT小于振 子的等效電阻R1。這一測(cè)量電路中每個(gè)電阻的作用及阻值選擇理由如下。選擇RTWR1/10,既RF較下，而振子乂與RF并聯(lián)，這樣，振子的阻抗Z雖然隨頻率變化 很大，但Z與RF并聯(lián)后的和阻抗隨頻率的變化卻很小，因此，可以認(rèn)為輸入電壓兒乎保持不變。 可以選擇（Ri+RF）等于信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗和頻率計(jì)的輸入阻抗與（Ri+RF）相并聯(lián)，而 RF乂與振子并聯(lián)，當(dāng)RF小時(shí)，它能隔離信號(hào)發(fā)生器輸出電抗和頻率計(jì)輸入電抗對(duì)振子的影響, 因此，可以提高測(cè)量fm和fn的精度。

10、對(duì)RT值選擇是一個(gè)重要的問(wèn)題。因?yàn)镽T與振子相串聯(lián)，特別是振子諧振時(shí)，RT就是審聯(lián) 諧振電路中電阻的一部分。RT大時(shí)，會(huì)影響諧振曲線的尖銳度，使諧振指示不準(zhǔn)確，造成測(cè)量 誤差，所以要求RT越小越好。另一方面，振子阻抗隨頻率的變化是通過(guò)RT上的電壓變化反映 到毫伏表中，為了使毫伏表能靈敬地反映這個(gè)變化，就希望大一點(diǎn)好。兼顧這兩方面的要求，一 般選擇RT小于振子的等效電阻R1,對(duì)于PZT系壓電陶瓷來(lái)說(shuō)，RT的數(shù)值約為兒十歐。由于形 狀大小不同的壓電陶瓷振子的最小阻抗也不相同，所以測(cè)量時(shí)應(yīng)對(duì)RT值作必要的調(diào)整。其次， 在反諧振頻率時(shí)，振子的阻抗達(dá)到最大值，為了提高測(cè)量反諧振頻率的精確度，應(yīng)適當(dāng)選擇較

11、大 的RT值。與RT湘似，RF也能起到隔離毫伏計(jì)的輸入電抗對(duì)振子的影響，所以也能提高測(cè)量fm 和fn的精確度。為了避免線路中雜散電容和外界感應(yīng)所帶來(lái)的測(cè)量誤差，對(duì)測(cè)量線路做必要的屏蔽。一般是 將線路房于金屬盒內(nèi)。夾持振子支架也影響測(cè)量結(jié)果。對(duì)夾持振子的支架除要求能穩(wěn)固地支持住 振子，保證夾子與振子有良好的電接觸外，還要使振子處于能自山振動(dòng)狀態(tài)。所以?shī)A子與振子的 接觸面要盡可能的小，并且?jiàn)A在中心位置或振動(dòng)節(jié)上，同時(shí)，希望支架具有盡量小的分布電容。因?yàn)閴弘娞沾墒氰F電體，只有輸入信號(hào)電壓較小時(shí)，才能得到比較正確的測(cè)量結(jié)果。如果 輸入信號(hào)電壓較大，就會(huì)引起非線形效應(yīng)。造成測(cè)量誤差，因此，一般都在輸入信

12、號(hào)電壓為1伏 的情況下進(jìn)行測(cè)量。(3)等效電阻R1的測(cè)量方法測(cè)量R1的常用方法 當(dāng)信號(hào)頻率等于振子的諧振頻率時(shí)，等效電路中的L1C1串聯(lián)分路阻 抗等于電子Ro。因此，還可以在測(cè)量線路中通過(guò)開關(guān)K1,用一個(gè)可變電阻箱來(lái)代替振子，并調(diào) 節(jié)可變電阻箱，使毫伏表上的讀數(shù)與振子諧振時(shí)的讀書相同，這時(shí)電阻箱中的電阻即等于振子的 等效電阻R1。測(cè)量R1的精確方法 諧振時(shí)，等效電路中的總電流等于C。分路電流和R1分路電流之和。 如果C。分路的阻抗大于R1,則通過(guò)Co分路的電流就很小，因此，上述測(cè)量R1的方法的誤差 很小。如果Co分路的阻抗小于R1,則應(yīng)采用下述方法清楚Co分路所造成的誤差。并聯(lián)電容法既然振子的

13、分路電容Co與R1并聯(lián)，那么可事先用電容點(diǎn)橋測(cè)出振子的分 路電容C。，然后用一電容等于C。的電容器與電阻箱并聯(lián)，如圖7中虛線所示。通過(guò)開關(guān)K1, 再調(diào)節(jié)電阻即等于振子的等效電阻Rio并聯(lián)電感法用一可變電感L。與振子并聯(lián)，如圖7中虛線所示，調(diào)節(jié)電感Lo使之滿足 (2/rfsLo-l/2兀fsCo) =0o這時(shí)，通過(guò)Co分路的電流恰好與通過(guò)電感Lo的電流互相抵消。此時(shí)， 毫伏表上的讀數(shù)只反映通過(guò)等效電阻R1的電流的大小。然后按常用方法測(cè)量R1值?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、首先開機(jī)預(yù)熱10 min,顯示部分調(diào)整為d33以及XI；0002、測(cè)量樣品的壓電常數(shù)前，必須先對(duì)儀器進(jìn)行校正。取出校正規(guī)，將夾具夾住校正規(guī)

14、。需要注 意的是：旋轉(zhuǎn)鈕的旋轉(zhuǎn)程度，以旋轉(zhuǎn)到無(wú)聲震動(dòng)為準(zhǔn)；3、旋轉(zhuǎn)校正鈕，直至顯示屏為499為止；4、完成校正后，取出校正規(guī)，換待測(cè)樣品，測(cè)量壓電材料的壓電常數(shù)d33；同樣，旋轉(zhuǎn)鈕的旋 轉(zhuǎn)程度以無(wú)聲震動(dòng)為準(zhǔn)；5、記錄不同樣品的壓電常數(shù)數(shù)值?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】PbZro. ：Tio. O陶瓷壓電材料電場(chǎng)強(qiáng)度8kv/mm 時(shí)間15分鐘溫度（°C）6080100d53 (pC/N)144195243電場(chǎng)強(qiáng)度8kv/mm溫度80C時(shí)間(min)51530do： (pC/N)128137155溫度80°C時(shí)間15分鐘電場(chǎng)強(qiáng)度（kv/mm）4810dss (pC/N)156315398【思考

15、題】1、為什么壓電陶瓷在測(cè)試壓電性能前，必須要進(jìn)行極化處理？答：壓電陶瓷必須經(jīng)過(guò)極化之后才具有壓電性能。2、壓電陶瓷極化工藝主要有哪三個(gè)要素？答：壓電陶瓷極化工藝主要有極化電場(chǎng)、極化溫度、極化時(shí)間三個(gè)要素。3、壓電材料的壓電性能參數(shù)主要有哪些？舉例說(shuō)明正壓電效應(yīng)的應(yīng)用。答：壓電材料的主要特性參數(shù)有：（1）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接 關(guān)系到壓電輸岀的靈敏度。（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決泄著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特 性。（3）介電常數(shù)：對(duì)于一泄形狀、尺寸的壓電元件，苴固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電 傳感器的頻率下限。（4）機(jī)械耦合系數(shù)：任壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸岀能量（如電能）-與輸入的能量（如 機(jī)械能）之比的平方根：它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參