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《壓電陶瓷測量原理》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、實用標(biāo)準(zhǔn)文案壓電陶瓷及其測量原理近年來，壓電陶瓷的研究發(fā)展迅速，取得一系列重大成果，應(yīng)用范圍不斷擴大，已深入到國民經(jīng)濟(jì)和尖端技術(shù)的各個方面中，成為不可或缺的現(xiàn)代化工業(yè)材料之一。由于壓電材料的各向異性，每一項性能參數(shù)在不同的方向所表現(xiàn)出的數(shù)值不同，這就使得壓電陶瓷材料的性能參數(shù)比一般各向同性的介質(zhì)材料多得多。同時，壓電陶瓷的眾多的性能參數(shù)也是它廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。（一）壓電陶瓷的主要性能及參數(shù)（1）壓電效應(yīng)與壓電陶瓷在沒有對稱中心的晶體上施加壓力、張力或切向力時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷，這一現(xiàn)
2、象稱為正壓電效應(yīng)；反之，在晶體上施加電場時，則將產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應(yīng)力，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。這兩種正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。晶體是否出現(xiàn)壓電效應(yīng)由構(gòu)成晶體的原子和離子的排列方式，即晶體的對稱性所決定。在聲波測井儀器中，發(fā)射探頭利用的是正壓電效應(yīng)，接收探頭利用的是逆壓電效應(yīng)。（2）壓電陶瓷的主要參數(shù)1、介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗是包括壓電陶瓷在內(nèi)的任何電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。在交變電場下，電介質(zhì)所積蓄的電荷有兩種分量：一種是有功部分（同相），由電導(dǎo)過程所引起；另一種為無功部分（異相），由介質(zhì)弛豫過程所引起。介質(zhì)損耗
3、是異相分量與同相分量的比值，如圖1所示，為同相分量，為異相分量，與總電流I的夾角為，其正切值為其中ω為交變電場的角頻率，R為損耗電阻，C為介質(zhì)電容。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案圖1交流電路中電壓-電流矢量圖（有損耗時）2、機械品質(zhì)因數(shù)機械品質(zhì)因數(shù)是描述壓電陶瓷在機械振動時，材料內(nèi)部能量消耗程度的一個參數(shù)，它也是衡量壓電陶瓷材料性能的一個重要參數(shù)。機械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小。產(chǎn)生能量損耗的原因在于材料的內(nèi)部摩擦。機械品質(zhì)因數(shù)的定義為：機械品質(zhì)因數(shù)可根據(jù)等效電路計算而得式中為等效電阻（Ω），為串聯(lián)諧振角頻率（Hz），為振子諧振時的等
4、效電容（F），為振子諧振時的等效電感。與其它參數(shù)之間的關(guān)系將在后續(xù)詳細(xì)推導(dǎo)。不同的壓電器件對壓電陶瓷材料的值的要求不同，在大多數(shù)的場合下（包括聲波測井的壓電陶瓷探頭），壓電陶瓷器件要求壓電陶瓷的值要高。3、壓電常數(shù)壓電陶瓷具有壓電性，即在其外部施加應(yīng)力時能產(chǎn)生額外的電荷。其產(chǎn)生的電荷與施加的應(yīng)力成比例，對于壓力和張力來說，其符號是相反的，電位移D（單位面積的電荷）和應(yīng)力的關(guān)系表達(dá)式為：式中Q為產(chǎn)生的電荷（C），A為電極的面積（m2），d為壓電應(yīng)變常數(shù)（C/N）。在逆壓電效應(yīng)中，施加電場E時將成比例地產(chǎn)生應(yīng)變S，所產(chǎn)生的應(yīng)變S是
5、膨脹還是收縮，取決于樣品的極化方向。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案S=dE兩式中的壓電應(yīng)變常數(shù)d在數(shù)值上是相同的，即另一個常用的壓電常數(shù)是壓電電壓常數(shù)g，它表示應(yīng)力與所產(chǎn)生的電場的關(guān)系，或應(yīng)變與所引起的電位移的關(guān)系。常數(shù)g與d之間有如下關(guān)系：式中為介電系數(shù)。在聲波測井儀器中，壓電換能器希望具有較高的壓電應(yīng)變常數(shù)和壓電電壓常數(shù)，以便能發(fā)射較大能量的聲波并且具有較高的接受靈敏度。4、機電耦合系數(shù)當(dāng)用機械能加壓或者充電的方法把能量加到壓電材料上時，由于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，機械能（或電能）中的一部分要轉(zhuǎn)換成電能（或機械能）。這種轉(zhuǎn)換的強弱用機
6、電耦合系數(shù)k來表示，它是一個量綱為一的量。機電耦合系數(shù)是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機械能和電能的耦合效應(yīng)。機電耦合系數(shù)的定義為：k2=或者k2=機電耦合系數(shù)不但與材料參數(shù)有關(guān)，還與具體壓電材料的工作方式有關(guān)。對于壓電陶瓷來說，它的大小還與極化程度相關(guān)。它只是反映機、電兩類能量通過壓電效應(yīng)耦合的強弱，并不代表兩類能量之間的轉(zhuǎn)換效率。壓電材料的耦合系數(shù)在不同的場合有不同的要求，當(dāng)制作換能器時，希望機電耦合系數(shù)越大越好。（二）壓電換能器的等效電路壓電換能器的等效電路表示法，是利用電學(xué)網(wǎng)絡(luò)術(shù)語表示壓電陶瓷的機械振動特
7、性，即把某些力學(xué)量模擬為電學(xué)量的方法。把壓電換能器用等效電路來表示，有很多優(yōu)點：其一，可以把力學(xué)上復(fù)雜的振動問題有效地進(jìn)行簡化；其二，為了得到換能器的各個參數(shù)，從而定量地分析或篩選換能器；其三，實際應(yīng)用的需要，因為在實際的應(yīng)用當(dāng)中，壓電換能器也是接入到具體的電子線路中的，得到壓電換能器的等效電路能夠更好地對其外圍電路進(jìn)行匹配設(shè)計。由此可見，得到壓電換能器的等效電路是十分必要的。2.3壓電換能器的諧振特性將壓電換能器按照圖2-2所示線路連接。當(dāng)改變信號頻率時，可以發(fā)現(xiàn)，通過壓電陶瓷換能器的電流也隨著發(fā)生變化，其變化規(guī)律如圖精彩文
8、檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案2-3（a）所示。從圖2-3（a）可以看出，當(dāng)信號為某一頻率時，通過壓電陶瓷換能器的電流出現(xiàn)最大值；而當(dāng)信號變到另一頻率時，傳輸電流出現(xiàn)最小值。由流經(jīng)它的電流隨頻率的變化可以看出，壓電陶瓷換能器的阻抗是隨頻率的變化而變化的，其變化規(guī)律同電流相反，如圖2-3（b）
