实验二压电材料的压电常数d测试
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一、实验目的1. 了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。
2. 掌握压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。
3. 通过实验,掌握压电陶瓷的性能测试方法,并对实验数据进行处理和分析。
二、实验原理压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料,当受到外力作用时,会在其表面产生电荷;反之,当施加电场时,压电陶瓷会产生形变。
压电陶瓷的性能主要包括压电系数、介电常数、损耗角正切、机械品质因数等。
三、实验材料与仪器1. 实验材料:压电陶瓷样品2. 实验仪器:(1)电容测微仪(2)机械标定仪(3)直流电源(4)扫描隧道显微镜(5)谐振法测定仪(6)准静态法测定仪四、实验步骤1. 样品准备:将压电陶瓷样品清洗干净,并用无水乙醇进行脱脂处理。
2. 压电陶瓷性能测试:(1)电容测微仪测试:将压电陶瓷样品固定在电容测微仪上,通过改变直流电压,观察样品的轴向变形和弯曲变形。
(2)谐振法测定:将压电陶瓷样品固定在谐振法测定仪上,测量样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
(3)准静态法测定:将压电陶瓷样品固定在准静态法测定仪上,测量样品的压电常数d33。
3. 数据处理与分析:将实验数据输入计算机,进行数据处理和分析,得出压电陶瓷的性能参数。
五、实验结果与分析1. 电容测微仪测试结果:通过电容测微仪测试,得出压电陶瓷样品的轴向变形和弯曲变形与电压的关系曲线。
根据曲线,计算出样品的压电系数。
2. 谐振法测定结果:通过谐振法测定,得出压电陶瓷样品的频率响应曲线和压电耦合系数。
根据曲线,计算出样品的介电常数和损耗角正切。
3. 准静态法测定结果:通过准静态法测定,得出压电陶瓷样品的压电常数d33。
根据测定结果,分析样品的压电性能。
六、实验结论1. 压电陶瓷样品具有良好的压电性能,满足实验要求。
2. 实验过程中,通过电容测微仪、谐振法测定和准静态法测定,分别获得了压电陶瓷样品的轴向变形、弯曲变形、频率响应曲线、压电耦合系数、介电常数、损耗角正切和压电常数等性能参数。
压电陶瓷测试方法国标压电陶瓷是一种可以产生电荷和电势差的材料,具有压电效应。
为了保证压电陶瓷产品质量的准确性和可靠性,需要进行一系列测试。
以下是压电陶瓷测试的国际标准方法。
1.电感测量法电感测量法用于测量压电陶瓷元件的电感值。
测试时,将元件连接到测试电路中,以确保电感的准确测量。
在测试过程中,应注意保持环境恒温,并校准测试仪器。
2.动态机械特性测试动态机械特性测试用于评估压电陶瓷材料的机械性能。
测试方法包括材料的疲劳寿命测试、应变-力测试、失效测试等。
通过这些测试,可以评估材料的稳定性和可靠性。
3.压电常数测试压电常数是一个重要的参数,用于描述压电陶瓷材料的压电效应。
测试方法包括绝对压电常数和相对压电常数的测量。
测试时需要使用压电测试仪器,并进行准确校准。
4.电压系数测试电压系数是衡量压电陶瓷材料在电压变化下的应变变化的参数。
测试方法包括压电陶瓷材料在不同电压下的应变测量。
测试时,需要使用电压测试仪器,并进行准确校准。
5.热稳定性测试热稳定性测试用于评估压电陶瓷材料在高温环境下的性能。
测试方法包括高温膨胀系数的测量、热导率测试等。
通过这些测试,可以评估材料在不同温度范围内的性能稳定性。
6.密度测量密度测量是评估压电陶瓷材料质量的重要指标。
测试方法包括大小排列法、水排除法、放射射线法等。
测试时,需要选择适当的方法,并使用准确的仪器进行测量。
7.表面形貌测试表面形貌测试用于评估压电陶瓷材料的表面质量和形态。
测试方法包括光学显微镜、扫描电子显微镜等。
通过这些测试,可以评估材料的表面光滑度和微观结构。
以上是压电陶瓷测试的国际标准方法。
这些测试方法可以帮助生产厂家确保产品质量的可靠性和一致性,以满足市场需求和客户需求。
《压电陶瓷切变压电应变常数d15准静态法测量》编制说明(征求意见稿)中国科学院声学研究所2011年4月《压电陶瓷切变压电应变常数d15准静态法测量》编制说明1任务来源和要求2010年下半年国家标准化管理委员会下达了行业标准《压电陶瓷切变压电应变常数准静态法测量》的编制任务,项目计划号2009-2777T-SJ,计划要求2010年完成送审d15稿编制。
该任务由中国科学院声学研究所承担主编。
2编制过程2.1编制原则按照GB/T 1.1─2009《标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写》进行本标准的编制。
2.2编制工作过程2010年下半年由本标准归口单位“工业和信息化部标准化研究所“给”中国科学院声学研究所“下达了该项标准的编制任务,任务落实到专业对口的水声换能器与测试技术实验室。
随后成立了由我所相关专业技术骨干和标准化管理人员组成的编制组。
编制组依据准静态法测量方法相关研究工作的基础上,在2011本所在压电陶瓷切变压电应变常数d15年2月完成了标准初稿的编制,2011年3月所组织有关专家对标准初稿进行了讨论和修改,形成了标准的征求意见稿。
3 主要技术内容说明的测量标准,目前无论在国际和国内都只有动态法的测压电陶瓷切变压电应变常数d15量标准,例如IEEE国际标准[1],国家标准[2]。
它们都是基于动态法的原理,通过测量标准样品(样品的长度,宽度和厚度等要求符合一定的比例)的串联共振频率fs和并联共振频率fp,以及材料的密度,几何尺寸,介电常数ε等经过计算得到。
一般来说,动态法,其正确度高,如对于横向模式及纵向模式就是这样;但对于厚度模式和厚度切变模式其正确度就不很理想,原因是厚度模式及厚度切变模式时的导纳(或阻抗)—频率特性曲线不单纯(常有横向模高次谐波的干扰),导致难以正确判定fs和fp,也就难以保证其正确度,且动态法测量手续繁复,费时。
上世纪70年代,国际上出现了基于准静态原理测量压电常数的仪器,80年代中期,国内也有了该类产品。
F F F-++-F Q压电介质正压电效应逆压电效应机械能电能图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。
放电电荷的多少与外力成正比例关系33q d F (1)其中33d 是压电陶瓷的压电系数,F 为作用力。
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。
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)。
(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Ri≥10RT′,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RT′≤R1/10,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。
中国科技期刊数据库 科研2015年30 期 281利用迈克尔干涉仪测量压电陶瓷的压电常数黄伟朝 虢淑芳广东省肇庆市技师学院,广东 肇庆 526060摘要:对压电陶瓷的压电常数测量是工程领域的一项重要内容,提出了一种改造迈克尔逊干涉仪移动镜,将压电陶瓷安装在干涉仪导轨上进行测量,提出了两种测量方法:一是光功率计测量干涉环中心圆环光强变化,二是用干涉条纹自动采集实验系统测量,并得出了测量结果。
关键词:迈克尔逊干涉仪;压电陶瓷;压电常数 中图分类号:O441-45 文献标识码:A 文章编号:1671-5780(2015)30-0281-021 引言对于压电材料,压电常数是一个非常重要的性能参数,对压电常数的测量是测量工程领域中一项重要内容,对其压电常数测量技术的研究以及获得精确可靠的测量方法,压电陶瓷在电场作用下其形变保持较好的线性关系,压电陶瓷在电场的作用下微小变化的特性非常适合于微小位移的控制、操作和精细加工,因此被广泛应用在生物医学、超精密机械等超微小尺寸的操控等领域。
在物理实验中,迈克尔逊干涉仪常被用来测量激光的波长或者物体移动的微小长度,因为对压电常数的测量的关键技术是体现在当在压电陶瓷某个方向加上电压后,测出与其加电垂直方向的微小长度的变化量,若利用迈克尔逊干涉仪的测量微小长度的方法来进行压电常数的测量可以达到较好的效果,在测量时只需将迈克尔逊干涉仪进行适当改装就可以实现,改动迈克尔逊干涉仪进行测量压电常数的原理示意图如图1所示。
图1 利用迈克尔逊干涉仪测量压电陶瓷压电常数原理示意图2 对迈克尔逊干涉仪的改造及压电陶瓷的安装因为考虑到要利用现有的迈克尔逊干涉仪的装置进行测量,而要将压电陶瓷片安放于现有的迈克尔逊干涉仪上以便进行测量,那么,需要对现有的干涉仪进行适当的改造,将压电陶瓷片与迈克尔逊干涉仪移动镜进行连接为一体,可以采取一种机械固定的方法,首先要将移动镜进行改造,移去原先的移动镜,将新的移动镜与压电陶瓷片的夹紧装置通过机械加工成为一个整体,形成一个新的可以自如拆装压电陶瓷片的移动镜,如图2所示。
一、实验目的1. 了解压电陶瓷材料的基本特性和应用领域。
2. 掌握压电陶瓷材料的制备方法及性能测试技术。
3. 分析压电陶瓷材料的性能与结构之间的关系。
二、实验原理压电陶瓷材料是一种具有压电效应的无机非金属材料,其基本原理是在外部机械力的作用下,内部产生电荷,从而实现机械能与电能之间的相互转换。
压电陶瓷材料具有高介电常数、高介电损耗、高压电系数等特性,广泛应用于声学、光电子、传感器、驱动器等领域。
三、实验材料与仪器1. 实验材料:PZT(锆钛酸铅)压电陶瓷材料。
2. 实验仪器:(1)高温烧结炉:用于压电陶瓷材料的烧结。
(2)X射线衍射仪(XRD):用于分析压电陶瓷材料的晶体结构。
(3)扫描电子显微镜(SEM):用于观察压电陶瓷材料的微观结构。
(4)压电系数测试仪:用于测试压电陶瓷材料的压电系数。
(5)介电性能测试仪:用于测试压电陶瓷材料的介电常数和介电损耗。
四、实验步骤1. 压电陶瓷材料的制备(1)将PZT粉末与适量粘结剂混合,制成浆料。
(2)将浆料涂覆在陶瓷基板上,形成压电陶瓷薄膜。
(3)将压电陶瓷薄膜放入高温烧结炉中,进行烧结,烧结温度为850℃左右,保温时间为2小时。
2. 压电陶瓷材料的性能测试(1)X射线衍射分析:对烧结后的压电陶瓷材料进行XRD分析,确定其晶体结构。
(2)扫描电子显微镜分析:对压电陶瓷材料进行SEM分析,观察其微观结构。
(3)压电系数测试:利用压电系数测试仪测试压电陶瓷材料的压电系数。
(4)介电性能测试:利用介电性能测试仪测试压电陶瓷材料的介电常数和介电损耗。
五、实验结果与分析1. X射线衍射分析(1)通过XRD分析,确定压电陶瓷材料的晶体结构为PZT相。
(2)分析压电陶瓷材料的晶体结构特点,如晶胞参数、晶粒尺寸等。
2. 扫描电子显微镜分析(1)通过SEM分析,观察压电陶瓷材料的微观结构,如晶粒尺寸、晶界、孔隙等。
(2)分析压电陶瓷材料的微观结构对性能的影响。
3. 压电系数测试(1)测试压电陶瓷材料的压电系数,确定其性能。
湖北理工学院电子与光电子材料实验教案授课教师:张校飞2012年2月目录实验一:SX1944四探针法测量电阻率实验二:压电材料的压电常数d33测试实验三:电介质材料介电性能的测试实验一四探针法测量材料的电阻率一、实验目的(1)熟悉四探针法测量半导体或金属材料电阻率的原理(2)掌握四探针法测量半导体或金属材料电阻率的方法二、实验原理半导体材料是现代高新技术中的重要材料之一,已在微电子器件和光电子器件中得到了广泛应用。
半导体材料的电阻率是半导体材料的的一个重要特性,是研究开发与实际生产应用中经常需要测量的物理参数之一,对半导体或金属材料电阻率的测量具有重要的实际意义。
直流四探针法主要用于半导体材料或金属材料等低电阻率的测量。
所用的仪器示意图以及与样品的接线图如图1所示。
由图1(a)可见,测试过程中四根金属探针与样品表面接触,外侧1和4两根为通电流探针,内侧2和3两根是测电压探针。
由恒流源经1和4两根探针输入小电流使样品内部产生压降,同时用高阻抗的静电计、电子毫伏计或数字电压表测出其它两根探针(探针2和探针3)之间的电压V23。
图1 四探针法电阻率测量原理示意图若一块电阻率为 的均匀半导体样品,其几何尺寸相对探针间距来说可以看作半无限大。
当探针引入的点电流源的电流为I,由于均匀导体内恒定电场的等位面为球面,则在半径为r 处等位面的面积为22r π,电流密度为2/2j I r π= (1)根据电流密度与电导率的关系j E σ=可得2222jI I E r r ρσπσπ===(2) 距离点电荷r 处的电势为2I V rρπ=(3) 半导体内各点的电势应为四个探针在该点所形成电势的矢量和。
通过数学推导,四探针法测量电阻率的公式可表示为123231224133411112()V V C r r r r I Iρπ-=--+∙=∙ (4) 式中,11224133411112()C r r r r π-=--+为探针系数,与探针间距有关,单位为cm 。
压电材料的力学性能模拟分析导语随着信息技术的快速发展,压电材料作为一种重要的功能材料得到了越来越广泛的应用。
压电材料的机电耦合行为和力学性能是其应用的关键因素。
汽车制造、电子元器件、医疗器械等诸多行业都离不开压电材料。
如何预测和分析力学性能将成为压电材料研究中的关键问题。
一、压电材料的机电耦合行为压电材料是一种强与电磁场耦合作用的材料。
当施加电场时,会引起材料发生形变,又称为电致应力或者电致应变现象。
相反的,当施加外力时,材料也会产生电场,即电感应,即为机电耦合的行为。
二、压电材料的力学性能参数分析压电材料的力学性能参数主要包括弹性模量、压电常数、热膨胀系数、介电常数等。
其中,弹性模量是描述压电材料机械性质的基本参数之一,是物质在弹性变形时所需的力量与变形的比值。
压电常数是描述压电效应的基本参数之一。
热膨胀系数是描述材料热膨胀和热收缩行为的参数之一。
介电常数是描述压电材料电性质的基本参数之一。
三、压电材料的力学测试为了深入研究压电材料的力学性能,需要进行力学测试。
在测试中需要考虑以下几个方面:第一,样品的尺寸和形状。
一般来说,样品的尺寸和形状会影响测试结果。
因此,需要根据测试要求选择合适的样品。
第二,测试温度和湿度。
压电材料的性能参数会随着温度和湿度的变化而变化,测试时需要注意控制这两个因素。
第三,测试方法。
目前常用的测试方法包括压电测试、热膨胀测试、薄膜力学测试等。
四、压电材料的力学性能模拟随着计算机技术的发展,力学性能模拟成为分析材料性能的重要手段。
对压电材料的力学性能进行模拟可以帮助我们更好地了解其力学行为,指导材料设计和应用。
目前,常用的模拟方法主要包括有限元法、分子动力学模拟等。
有限元法是一种有效的力学性能模拟方法,可以用于分析各种复杂的场景。
对于压电材料的模拟,有限元法可以模拟其机电耦合行为及其本身的力学性能参数。
此外,随着有限元软件技术的发展,可以通过有限元软件对压电材料的力学性能进行快速模拟和分析。
若施加力为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)。
(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Ri≥10RT′,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RT′≤R1/10,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。