实验二：压电材料的压电常数d33测试

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1、物理专业实验报告专业 应用物理 班级 1 姓名 学号 实验名称 压电材料的压电常数d33测试 实验地点 实验日期 【实验目的】（1）掌握准静态d33测试仪的使用方法以及测量压电常数d33。（2）熟悉压电材料压电效应的基本原理【实验仪器】 YE2730A准静态压电常数d33测试仪；PZT压电陶瓷样品；PMN压电陶瓷样品【实验原理】压电材料(piezoelectric material)，受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。 1880年,法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现,把重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电荷,电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。1、压电效应某些物质

2、，当沿着一定方向施加压力或拉力时，会发生形变，其内部就产生极化现象，同时，其外表面上产生极性相反的电荷；当外力拆掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力方向反向时，电荷极性也相反；电荷量与外力大小成正比。这种现象叫正压电效应。如图1所示。图1 （正）压电效应反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。压电效应的可逆性如图62所示。利用这一特性可实现机电能量的相互转换。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

3、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

4、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

5、的多少与外力成正比例关系 （1）其中是压电陶瓷的压电系数，为作用力。压电陶瓷在极化方向上的压电效应最明显。我们把极化方向叫轴，垂直于轴平面上的任何直线都可作为轴（或轴）。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，但剩余极化强度和特性受温度影响较大。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成。它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较低，最高只有70，温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT系列），它是钛酸钡（）和锆酸铅（）组成的。它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸铅是20

6、世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅（）、锆酸铅和钛酸铅按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷，它具有较高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。3、压电参数的测量方法压电陶瓷材料的压电参数的测量方法甚多，有电测法，声测法，力测法和光测法等，这些方法中以电测法的应用最为普遍。在利用电测法进行测试时，由于压力体对力学状态极为敏感，因此，按照被测样品所处的力学状态，又可划分为动态法，静态法和准静态法等。 （1）静态法 静态法是被测样品处于不发生交变形变的测试方法，主要用于测试压电常数，测试样品上加一定大小和方向的力，根据压电效应，样品将因形变而产生一定的电荷。 D33=d33T3 若

7、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）。

8、 （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Ri10RT，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RTR1/10，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

9、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，一般选择RT小于振子的等效电阻R1，对于PZT系压电陶瓷来说，RT的数值约为

10、几十欧。由于形状大小不同的压电陶瓷振子的最小阻抗也不相同，所以测量时应对RT值作必要的调整。其次，在反谐振频率时，振子的阻抗达到最大值，为了提高测量反谐振频率的精确度，应适当选择较大的RT值。与RT相似，RT也能起到隔离毫伏计的输入电抗对振子的影响，所以也能提高测量fm和fn的精确度。 为了避免线路中杂散电容和外界感应所带来的测量误差，对测量线路做必要的屏蔽。一般是将线路房于金属盒内。夹持振子支架也影响测量结果。对夹持振子的支架除要求能稳固地支持住振子，保证夹子与振子有良好的电接触外，还要使振子处于能自由振动状态。所以夹子与振子的接触面要尽可能的小，并且夹在中心位置或振动节上，同时，希望支架具

11、有尽量小的分布电容。 因为压电陶瓷是铁电体，只有输入信号电压较小时，才能得到比较正确的测量结果。如果输入信号电压较大，就会引起非线形效应。造成测量误差，因此，一般都在输入信号电压为1伏的情况下进行测量。（3）等效电阻R1的测量方法 测量R1的常用方法 当信号频率等于振子的谐振频率时，等效电路中的L1C1串联分路阻抗等于电子Ro。因此，还可以在测量线路中通过开关K1，用一个可变电阻箱来代替振子，并调节可变电阻箱，使毫伏表上的读数与振子谐振时的读书相同，这时电阻箱中的电阻即等于振子的等效电阻R1。 测量R1的精确方法 谐振时，等效电路中的总电流等于Co分路电流和R1分路电流之和。如果Co分路的阻抗

12、大于R1，则通过Co分路的电流就很小，因此，上述测量R1的方法的误差很小。如果Co分路的阻抗小于R1，则应采用下述方法清楚Co分路所造成的误差。 并联电容法-既然振子的分路电容Co与R1并联，那么可事先用电容点桥测出振子的分路电容Co，然后用一电容等于Co的电容器与电阻箱并联，如图7中虚线所示。通过开关K1，再调节电阻即等于振子的等效电阻R1。 并联电感法-用一可变电感Lo与振子并联，如图7中虚线所示，调节电感Lo使之满足（2fsLo-1/2fsCo）=0。这时，通过Co分路的电流恰好与通过电感Lo的电流互相抵消。此时，毫伏表上的读数只反映通过等效电阻R1的电流的大小。然后按常用方法测量R1值

13、。【实验内容】1、首先开机预热10 min，显示部分调整为d33以及1；2、测量样品的压电常数前，必须先对仪器进行校正。取出校正规，将夹具夹住校正规。需要注意的是：旋转钮的旋转程度，以旋转到无声震动为准； 3、旋转校正钮，直至显示屏为499为止；4、完成校正后，取出校正规，换待测样品，测量压电材料的压电常数d33；同样，旋转钮的旋转程度以无声震动为准；5、记录不同样品的压电常数数值。【实验数据】PbZr0.2Ti0.8O3陶瓷压电材料电场强度8kv/mm 时间15分钟温度（）6080100d33（pC/N）144195243电场强度8kv/mm 温度80时间（min）51530d33（pC/N

14、）128137155温度80 时间15分钟电场强度（kv/mm）4810d33（pC/N）156315398【思考题】1、 为什么压电陶瓷在测试压电性能前，必须要进行极化处理？ 答：压电陶瓷必须经过极化之后才具有压电性能。2、 压电陶瓷极化工艺主要有哪三个要素？ 答：压电陶瓷极化工艺主要有极化电场、极化温度、极化时间三个要素。3、 压电材料的压电性能参数主要有哪些？举例说明正压电效应的应用。 答：压电材料的主要特性参数有：（1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根； 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。 传感器，压电陶瓷-高聚物复合材料教师评语：1. 实验预习：（ 认真、 较认真、 一般、 较差、 很差 ）；占30%2. 原始数据及实验