(完整版)實驗二：壓電材料的壓電常數(shù)d33測試

1、物理專業(yè)實驗報告專業(yè)應用物理班級1姓名學號實驗名稱壓電材料的壓電常數(shù)d33測試實驗地點實驗日期【實驗目的】(1) 掌握準靜態(tài)d33測試儀的使用方法以及測量壓電常數(shù)d33。(2) 熟悉壓電材料壓電效應的基本原理【實驗儀器】YE2730A準靜態(tài)壓電常數(shù)d33測試儀；PZT壓電陶瓷樣品；PMN壓電陶瓷樣品【實驗原理】壓電材料(piezoelectricmaterial)，受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。1880年,法國物理學家P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應。1、壓電效應某些物質，當沿著一定方向施加壓力

2、或拉力時，會發(fā)生形變，其內部就產生極化現(xiàn)象，同時,其外表面上產生極性相反的電荷；當外力拆掉后，又恢復到不帶電的狀態(tài)；當作用力方向反向時,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。如圖1所示。(正)壓電效應反之，當對某些物質在極化方向上施加一定電場時，材料將產生機械形變，當外電場撤銷時，形變也消失，這叫逆壓電效應，也叫電致伸縮。壓電效應的可逆性如圖62所示。利用這一特性可實現(xiàn)機一電能量的相互轉換。正壓電效應機械能壓電介質電能V逆壓電效應圖2壓電效應的可逆性壓電式傳感器大都米用壓電材料的正壓電效應制成。大多數(shù)晶體都具有壓電效應，而多數(shù)晶體的壓電效應都十分微弱。2、壓電陶瓷的壓電

3、效應壓電陶瓷是一種經過極化處理后的人工多晶鐵電體。多晶是指它由無數(shù)細微的單晶組成，所謂鐵電體是指它具有類似鐵磁材料磁疇的電疇結構，每個單晶形成一單個電疇，這種自發(fā)極化的電疇在極化處理之前，個晶粒內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，就必須在一定溫度下做極化處理。二：:丨電口極化前極化過程沿奩蘭昭蕪1十+十+亠+亠亠圖3陶瓷極化過程示意圖圖4束縛電荷與自由電荷排列示意圖所謂極化處理，是指在一定溫度下，以強直流電場迫使電疇自發(fā)極化的方向轉到與外加電場方向一致，作規(guī)則排列，此時壓電陶瓷具有一定的極化強度，

4、再使溫度冷卻，撤去電場，電疇方向基本保持不變，余下很強的剩余極化電場，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。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自外界的自由電荷，這時束縛電荷與自由電荷數(shù)值相等，極性相反，故此陶瓷片對外不呈現(xiàn)極性。如圖4所示。如果在壓電陶瓷片上加一個與極化方向平行的外力，陶瓷片產生壓縮變形，片內的束縛電荷之間距離變小，電疇發(fā)生偏轉，極化強度變小，因此吸附在其表面的自由電荷，有一部分被釋放而呈現(xiàn)放電現(xiàn)象。當撤銷壓力時，陶瓷片恢復原狀，極化強度增大，因此又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種因受力而產生的機械效應轉變?yōu)殡娦?/p>

5、，將機械能轉變?yōu)殡娔?，就是壓電陶瓷的正壓電效應。放電電荷的多少與外力成正比例關系qd33F（1）其中d33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Y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敏度較高，但剩余極化強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鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結而成。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70C，溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛（PZ

6、T系列），它是鈦酸鋇（BaTiO3）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的Pb（ZrTi）3。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。鈮鎂酸鉛是20世紀60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛（Pb（Mg3*Nb2/3）O3）、鋯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)的測量方法壓電陶瓷材料的壓電參數(shù)的測量方法甚多，有電測法，聲測法，力測法和光測法等，這些方法中以電測法的應用最為普遍。在利用電測法進行測試時，由于壓力體對力學狀態(tài)極為敏感，因此，按照被測樣品所處的力學狀態(tài)，又可劃分為動態(tài)法，靜態(tài)法和準靜態(tài)法等。（1）靜態(tài)法靜態(tài)法

7、是被測樣品處于不發(fā)生交變形變的測試方法，主要用于測試壓電常數(shù)，測試樣品上加一定大小和方向的力，根據(jù)壓電效應，樣品將因形變而產生一定的電荷。D33=d33T若施加力為F3，則在電極上產生的總電荷為Q3=d33F339）靜態(tài)法的測量裝置如圖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幾十到一百倍的低損耗電容。】一種皚計注兀加玨裝覽的絕碌庫油馬加壓裝迓的上下引出電卻試祥住井験電容器塩路開關I丹一施加于試徉曲力+圖5靜態(tài)法測量壓電常數(shù)裝置圖測量時，為了避免施加力F3時會有附加沖擊力而引起測量誤差，一般加壓時會合上電鍵K1,使樣品

8、短路而清除加壓所產生的電荷。去壓時先打開電鍵K1，使樣品上所產生的電荷全部釋放到電容上，用靜電計測其電壓V3（伏）用下式求出：Q3=（Co+C1）V3（1-40）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）動態(tài)法壓電陶瓷材料的大部分參數(shù)都可以通過測量頻率Fs和fa來確定。生產上都采用動態(tài)法中的傳輸法。圖6給了一種簡單的測量線路。信號源和頻華計圖6簡易動態(tài)法測量這種測量線路過于簡單，有一些缺點，為了克服簡單測量線路的缺點，通常采用圖7所示的常用測量線路。在振子兩端有連接的電阻Ri,RT和RTo。一般選擇RiN10R，RT=RT及RT小于振子的等效電阻R1。這一測量

9、電路中每個電阻的作用及阻值選擇理由如下。選擇RTWR1/10,既R較下，而振子又與RT并聯(lián)，這樣，振子的阻抗Z雖然隨頻率變化很大，但Z與RT并聯(lián)后的和阻抗隨頻率的變化卻很小，因此，可以認為輸入電壓幾乎保持不變?？梢赃x擇（Ri+R）等于信號發(fā)生器的輸出阻抗和頻率計的輸入阻抗與（Ri+R）相并聯(lián)，而RT又與振子并聯(lián)，當RT小時，它能隔離信號發(fā)生器輸出電抗和頻率計輸入電抗對振子的影響,因此，可以提高測量fm和fn的精度。對RT值選擇是一個重要的問題。因為RT與振子相串聯(lián)，特別是振子諧振時，RT就是串聯(lián)諧振電路中電阻的一部分。RT大時，會影響諧振曲線的尖銳度，使諧振指示不準確，造成測量誤差，所以要求R

10、T越小越好。另一方面，振子阻抗隨頻率的變化是通過RT上的電壓變化反映到毫伏表中，為了使毫伏表能靈敏地反映這個變化，就希望大一點好。兼顧這兩方面的要求，一般選擇RT小于振子的等效電阻R1,對于PZT系壓電陶瓷來說，RT的數(shù)值約為幾十歐。由于形狀大小不同的壓電陶瓷振子的最小阻抗也不相同，所以測量時應對RT值作必要的調整。其次，在反諧振頻率時，振子的阻抗達到最大值，為了提高測量反諧振頻率的精確度，應適當選擇較大的RT值。與RT相似，RT也能起到隔離毫伏計的輸入電抗對振子的影響，所以也能提高測量fm和fn的精確度。為了避免線路中雜散電容和外界感應所帶來的測量誤差，對測量線路做必要的屏蔽。一般是將線路房

11、于金屬盒內。夾持振子支架也影響測量結果。對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由振動狀態(tài)。所以夾子與振子的接觸面要盡可能的小，并且夾在中心位置或振動節(jié)上，同時，希望支架具有盡量小的分布電容。因為壓電陶瓷是鐵電體，只有輸入信號電壓較小時，才能得到比較正確的測量結果。如果輸入信號電壓較大，就會引起非線形效應。造成測量誤差，因此，一般都在輸入信號電壓為1伏的情況下進行測量。(3) 等效電阻R1的測量方法測量R1的常用方法當信號頻率等于振子的諧振頻率時，等效電路中的L1C1串聯(lián)分路阻抗等于電子Ro。因此，還可以在測量線路中通過開關K1，用一個可變電

12、阻箱來代替振子，并調節(jié)可變電阻箱，使毫伏表上的讀數(shù)與振子諧振時的讀書相同，這時電阻箱中的電阻即等于振子的等效電阻R1。測量R1的精確方法諧振時，等效電路中的總電流等于Co分路電流和R1分路電流之和。如果Co分路的阻抗大于R1，則通過Co分路的電流就很小，因此，上述測量R1的方法的誤差很小。如果Co分路的阻抗小于R1，則應采用下述方法清楚Co分路所造成的誤差。并聯(lián)電容法既然振子的分路電容Co與R1并聯(lián)，那么可事先用電容點橋測出振子的分路電容Co,然后用一電容等于Co的電容器與電阻箱并聯(lián)，如圖7中虛線所示。通過開關K1，再調節(jié)電阻即等于振子的等效電阻R1。并聯(lián)電感法用一可變電感Lo與振子并聯(lián)，如圖

13、7中虛線所示，調節(jié)電感Lo使之滿足(2nfsLo-l/2nfsCo)=0。這時，通過Co分路的電流恰好與通過電感Lo的電流互相抵消。此時，毫伏表上的讀數(shù)只反映通過等效電阻R1的電流的大小。然后按常用方法測量R1值?！緦嶒瀮热荨?、首先開機預熱10min,顯示部分調整為d33以及X1；2、測量樣品的壓電常數(shù)前，必須先對儀器進行校正。取出校正規(guī)，將夾具夾住校正規(guī)。需要注意的是：旋轉鈕的旋轉程度，以旋轉到無聲震動為準；3、旋轉校正鈕，直至顯示屏為499為止；4、完成校正后，取出校正規(guī)，換待測樣品，測量壓電材料的壓電常數(shù)d33；同樣，旋轉鈕的旋轉程度以無聲震動為準；5、記錄不同樣品的壓電常數(shù)數(shù)值。【實

14、驗數(shù)據(jù)】PbZrTiO陶瓷壓電材料0.20.83電場強度8kv/mm時間15分鐘溫度（C）6080100d33(PC/N)144195243電場強度8kv/mm溫度80C時間(min)51530d33(PC/N)128137155溫度80C時間15分鐘電場強度（kv/mm）4810d33(PC/N)156315398【思考題】1、為什么壓電陶瓷在測試壓電性能前，必須要進行極化處理？答：壓電陶瓷必須經過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要素？答：壓電陶瓷極化工藝主要有極化電場、極化溫度、極化時間三個要素。3、壓電材料的壓電性能參數(shù)主要有哪些？舉例說明正壓電效應的應用。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強弱的參數(shù)，它直接關系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機械耦合系數(shù)：在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重