压电陶瓷测量基本知识.docx

* * * 压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料 的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的 性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛 应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化， 同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时， 则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压 电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶 体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是 逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示， IC 为同相分量， I R 为异相分量， IC 与总电流 I 的夹角为 ， 其正切值为 Itan ? ? R I I C 1 ? ?CR 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。 图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗 的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数Q m 的定义为： Q谐振时振子储存的机械能 Q m ? 谐振时振子每周所损失的机械能 2π 机械品质因数可根据等效电路计算而得 Q ? ? ? L 1? Rs 1 1 m R C s 1 1 1 式中 R1 为等效电阻（Ω）， ? 为串联谐振角频率（Hz）， C 为振子谐振时的等效电容 1s（F）， L1为振子谐振时的等效电感。Q 1 s m 不同的压电器件对压电陶瓷材料的 Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波 m 测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的Q m  值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D（单位面积的电荷）和 应力? 的关系表达式为： D ? Q ? dr A 式中 Q 为产生的电荷（C），A 为电极的面积（m2），d 为压电应变常数（C/N）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩， 取决于样品的极化方向。 S=dE 两式中的压电应变常数 d 在数值上是相同的，即d ? D ? S ? E 另一个常用的压电常数是压电电压常数 g，它表示应力与所产生的电场的关系，或应 变与所引起的电位移的关系。常数 g 与 d 之间有如下关系： g ? d ? 式中? 为介电系数。在声波测井仪器中，压电换能器希望具有较高的压电应变常数和压电电压常数，以便能发射较大能量的声波并且具有较高的接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电的方法把能量加到压电材料上时，由于压电效应和逆压电效 应，机械能（或电能）中的一部分要转换成电能（或机械能）。这种转换的强弱用机电耦合 系数 k 来表示，它是一个量纲为一的量。机电耦合系数是综合反映压电材料性能的参数， 它表示压电材料的机械能和电能的耦合效应。机电耦合系数的定义为： k2= 电能转变为机械能 或者k2= 机械能转变为电能 输入电能 输入机械能 机电耦合系数不但与材料参数有关，还与具体压电材料的工作方式有关。对于压电陶瓷 来说，它的大小还与极化程度相关。它只是反映机、电两类能量通过压电效应耦合的强弱， 并不代表两类能量之间的转换效率。压电材料的耦合系数在不同的场合有不同的要求，当制 作换能器时，希望机电耦合系数越大越好。 （二）压电换能器的等效电路 压电换能器的等效电路表示法，是利用电学网络术语表示压电陶瓷的机械振动特性，即 把某些力学量模拟为电学量的方法。把压电换能器用等效电路来表示，有很多优点：其一， 可以把力学上复杂的振动问题有效地进行简化；其二，为了得到换能器的各个参数，从而定 量地分析或筛选换能器；其三，实际应用