压电陶瓷测量基本知识
压电陶瓷测量原理
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、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，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为CRI I C R ωδ1tan ==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部摩擦。
机械品质因数m Q 的定义为：π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷及其测量原理近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。
由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。
同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。
(一)压电陶瓷得主要性能及参数(1)压电效应与压电陶瓷在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,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得变形或机械应力,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。
晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。
在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。
（2）压电陶瓷得主要参数1、介质损耗介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。
在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(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。
介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,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就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。
机械品质因数越大,能量得损耗越小。
产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。
机械品质因数得定义为:机械品质因数可根据等效电路计算而得式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。
材料测试方法举例——压电陶瓷
材料测试方法举例——压电陶瓷压电陶瓷是一种能够产生压电效应的陶瓷材料，具有压电、电致伸缩和压电声发射等特性。
为了评估压电陶瓷的性能和质量，需要进行一系列的材料测试方法。
下面是针对压电陶瓷的几种常用测试方法举例，供参考。
1.压电常数测试：压电常数是评价压电陶瓷的重要指标之一，用于描述材料对外力作用下电荷产生的比例关系。
测试之前，首先需将压电陶瓷样品制成规定的尺寸，然后通过设备施加压力，测量在不同压力下的电荷大小，进而计算压电常数。
常用的测试方法包括电荷常数法、弯曲法和悬臂梁法等。
2.电机械耦合系数测试：电机械耦合系数是反映压电陶瓷在电场作用下的振动和机械功率输出之间关系的指标。
测试时，将压电陶瓷样品固定在振动台上，通过施加电压激励材料振动，测量振动的频率和幅值，然后计算电机械耦合系数。
3.管路声发射测试：压电陶瓷可以应用于声发射传感器，用于检测管路中的泄漏或其他故障。
测试时，将压电陶瓷传感器安装在管路上，并进行正常运行的测试过程。
通过监测传感器产生的压电信号变化，可以识别管路中是否存在泄漏或故障。
4.微观结构分析：压电陶瓷的微观结构对其性能具有重要影响，因此需要进行微观结构分析。
常用的方法包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等。
通过这些技术，可以观察到材料的晶粒结构、晶格畸变和缺陷等信息，从而评估材料的质量和性能。
5.稳态和瞬态性能测试：为了确定压电陶瓷的稳态和瞬态性能，需要进行相应的测试。
稳态性能测试主要包括电压-位移曲线测试和电压-电荷曲线测试，通过施加不同的电压并测量相应的位移或电荷，来评估材料对电场刺激的响应。
瞬态性能测试主要包括步进响应测试和冲击响应测试，通过输入瞬态电压或冲击信号，测量材料的响应时间和能量转换效率。
上述仅是压电陶瓷测试方法的一小部分举例，实际测试方法应根据具体应用和需求进行选择和设计。
测试方法的选取应考虑准确性、重复性、可靠性和可操作性等因素，以确保对压电陶瓷材料进行准确全面的评估。
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷测量原理1. 引言压电陶瓷是一种特殊的材料，具有压电效应，即在施加压力或电场时能够产生电荷分布和电势差。
压电陶瓷广泛应用于传感器、压力计、振动器等领域。
本文将详细介绍压电陶瓷的测量原理及其应用。
2. 压电效应压电效应是指在压电材料中，当施加外力或电场时，会产生电荷分布和电势差。
这种效应是由于压电材料的晶格结构具有非对称性，导致电荷分布不均匀。
常见的压电材料包括压电陶瓷、压电晶体等。
3. 压电陶瓷的结构与特性压电陶瓷由多种金属氧化物组成，具有良好的压电性能。
它的结构通常由晶粒和孔隙组成，晶粒之间通过晶界连接。
这种结构使得压电陶瓷具有较高的压电系数和较低的机械损耗。
4. 压电陶瓷的测量原理压电陶瓷的测量原理基于压电效应。
当施加压力或电场时，压电陶瓷会发生形变，并产生电荷分布和电势差。
通过测量电荷分布或电势差的变化，可以间接获得施加的压力或电场的大小。
4.1 压力测量原理在压力测量中，将压电陶瓷固定在一个支撑结构上，施加外力使其发生形变。
由于压电效应，形变会导致电荷分布和电势差的变化。
通过测量电荷分布或电势差的变化，可以计算出施加的压力。
4.2 电场测量原理在电场测量中，将压电陶瓷放置在一个电场中，施加电压使其发生形变。
同样地，形变会导致电荷分布和电势差的变化。
通过测量电荷分布或电势差的变化，可以计算出施加的电场强度。
5. 压电陶瓷的应用压电陶瓷具有广泛的应用领域，以下列举几个常见的应用：5.1 压力传感器利用压电陶瓷的压电效应，可以制造高精度的压力传感器。
通过测量压电陶瓷的电荷分布或电势差的变化，可以准确测量压力的大小。
5.2 振动器压电陶瓷可以用作振动器，例如在手机中的蜂鸣器。
施加电压时，压电陶瓷会发生形变，产生声音。
5.3 压电陶瓷马达压电陶瓷马达是一种利用压电效应产生的振动力来驱动的马达。
它具有体积小、重量轻、响应速度快等优点，广泛应用于精密仪器和医疗设备中。
6. 结论压电陶瓷是一种特殊的材料，具有压电效应。
压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数
压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数压电陶瓷材料是一种具有压电效应的材料，可将机械的压力或应力转化为电能，同时也可以将电能转化为机械的压力或应力。
因此，对于压电陶瓷材料的测试，需要关注以下13个基本参数。
1.介电常数（Dielectric constant）：介电常数是指材料在电场作用下的电极化能力，是压电陶瓷材料的一个重要指标。
介电常数越大，材料的电极化能力越强。
2.电容（Capacitance）：电容是指单位电压下存储的电荷量，通常以法拉（F）为单位。
对于压电陶瓷材料，电容可以用来判断材料的电性能。
3.压电系数（Piezoelectric coefficient）：压电系数是指压电材料产生的电荷与施加在材料上的应力或压力之间的比例关系。
压电系数可以分为压电应力系数和压电应变系数。
4.机械耦合系数（Electromechanical coupling coefficient）：机械耦合系数是指压电陶瓷材料在机械和电学特性之间的耦合程度。
该参数描述了材料将电能转化为机械能或将机械能转化为电能的能力。
5.压电应用温度范围（Operating temperature range）：压电陶瓷材料在不同温度下的性能是不同的，因此需要确定材料的工作温度范围。
过高或过低的温度可能会影响材料的性能。
6.力常数（Force constant）：力常数是指压电材料在单位面积上所承受的力与电压或电荷之间的比例关系。
力常数可以用来描述材料的力学特性。
7.色散（Dispersion）：色散是指压电陶瓷材料的压电性能随着频率的变化而产生的变化。
了解材料的色散特性可以优化材料的应用。
8.应力-应变曲线（Stress-strain curve）：应力-应变曲线描述了在施加外力或压力时，材料的应力和应变之间的关系。
通过绘制应力-应变曲线，可以获得材料的力学性能。
9.电化学稳定性（Electrochemical stability）：压电陶瓷材料应具有良好的电化学稳定性，以确保其在一定电压或电流下不发生电化学反应。
压电陶瓷片的功能和检测方法
压电陶瓷片的功能和检测方法
压电陶瓷片是一种结构简单、轻巧的电声器件，因具有灵敏度高、无磁场散播外溢、不用铜线和磁铁、成本低，耗电少、修理方便、便于大量生产等优点而获得了广泛应用。
适合超声波和次声波的发射和接收，比较大面积的压电陶瓷片还可以运用检测压力和振动，工作原理是利用压电效应的可逆性，在其上施加音频电压，就可产生机械振动，从而发出声音。
如果不断对压电陶瓷片施加压力它还会产生电压和电流。
其质量的测试方法如下：
第一种方法：将万用表的量程开关拨到直流电压2.5V挡，左手拇指与食指轻轻捏住压电陶瓷片的两面，右手持万用表的表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放陶瓷表面上，然后左手稍用力压一下，随后又松一下，这样在压电陶瓷片上产生两个极性相反的电压信号，使万用表的指针先向右摆，接着回零，随后向左摆一下，摆幅约为0.1一0.15V，摆幅越大，说明灵敏度越高。
若万用表指针静止不动，说明内部漏电或破损。
切记不可用湿手捏压电片，测试时万用表不可用交流电压挡，否则观察不到指针摆动，且测试之前最好用R×10k挡，测其绝缘电阻应为无穷大。
第二种方法：用R×10k挡测两极电阻，正常时应为∞,然后轻轻敲击陶瓷片，指针应略微摆动。
压电陶瓷材料应变测试方法
压电陶瓷材料应变测试方法引言：压电陶瓷材料是一类具有压电效应的特殊材料，其在受到外力作用时能够产生电荷分离现象，从而产生应变。
为了准确测量压电陶瓷材料的应变，科学家们开发了多种测试方法。
本文将介绍几种常用的压电陶瓷材料应变测试方法。
一、电容法电容法是一种常用的测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法利用压电陶瓷材料在受到外力作用时会产生电荷分离的特性，通过测量电容的变化来间接测量应变。
具体操作时，将压电陶瓷材料作为电容器的一部分，当外力作用于材料时，电容器的电容值会发生变化，通过测量电容值的变化可以计算出应变的大小。
二、光栅法光栅法是一种基于光学原理的测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法利用光栅的干涉原理，通过测量光栅的位移来间接测量应变。
具体操作时，将光栅固定在压电陶瓷材料表面，当外力作用于材料时，材料表面会发生微小的位移，通过测量光栅的位移可以计算出应变的大小。
三、应变片法应变片法是一种直接测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法利用应变片的特性，通过测量应变片的形变来直接测量应变。
具体操作时，将应变片粘贴在压电陶瓷材料表面，当外力作用于材料时，应变片会发生形变，通过测量应变片的形变可以得到应变的大小。
四、声发射法声发射法是一种利用声波传播特性测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法通过测量材料在受到外力作用时产生的声波信号来间接测量应变。
具体操作时，将压电陶瓷材料固定在测试装置上，施加外力后，材料会产生声波信号，通过测量声波信号的特征参数可以计算出应变的大小。
五、综合应变测试方法为了提高测量的准确性和可靠性，科学家们常常采用综合应变测试方法。
综合应变测试方法是将多种测量方法结合起来，通过对比和校准来提高测量结果的准确性。
例如，可以同时采用电容法和应变片法进行测量，通过对比两种方法的结果来验证测量的准确性。
结论：压电陶瓷材料应变测试是研究和应用压电陶瓷材料的重要手段。
电容法、光栅法、应变片法和声发射法是常用的测试方法，每种方法都有其特点和适用范围。
压电陶瓷测量原理
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，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为CRI I C R ωδ1tan ==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m Q 的定义为：机械品质因数可根据等效电路计算而得式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。
压电陶瓷基本知识概要
➢ 压电陶瓷：一种多晶体，需要极化后才具有压电效应， 压电常数大，成本低。但居里点温度低(120～360℃)，精 度低(精度只能满足到小数点后三位),制作工艺较为复杂 ，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来 热干扰。
压电陶瓷的制造工艺
➢配料（原料的选择和处理）
(2)杂质的利用
1)杂质的类型 ①有害杂质 对材料绝缘、介电性等影响极大的杂质，特别
是异价离子，如B、C、P、S、Al等，越少越好。 ②有利杂质 与材料A位(Pb2+)、B位(Zr4+,Ti4+)离子电价相
➢ 两者都只能作动态测量。由于外力作用在压电元件上产生 的电荷只有在内部无漏损或外接负载RL趋于无穷大时， 其受力后产生的电荷才能保持，这实际上是不可能的。只 有外力不断变化或高频作用下，电荷才能得以补充，因此 从这个意义上讲，压电晶体不适合静态测量。
压电陶瓷的主要性能参数
压电陶瓷的主要性能参数
➢ 介质损耗tanδ
电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导 等原因在电介质内所损耗的能量。
理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电 压相位超前90 ° ，但在压电陶瓷中因有能量损耗，电流 超前的相位角ψ小于90 °，它的余角δ (δ+ψ=90 °)称 为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角 正切tanδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有 功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即： 电学品质 因数Qe（electrical quality factor）
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷测量原理压电陶瓷（piezoelectric ceramics）是一种具有压电效应的陶瓷材料。
压电效应是指在压力或挤压作用下，压电材料会产生电荷分离与累积，从而产生电势差。
这一特性使得压电陶瓷被广泛应用于传感器、声音传导装置、振动马达等领域。
压电陶瓷的测量原理基于压电效应。
当外力施加到压电陶瓷上时，陶瓷内部的晶体结构会发生微小变化，导致正负电荷分离。
这些电荷会在陶瓷两个端口间产生电势差。
这个电势差可以通过电极连接到外部电路中进行测量。
在实际测量中，一般会使用测力传感器来测量压电陶瓷产生的压力或挤压力。
传感器的一端固定于待测物体上，另一端与压电陶瓷相连接。
当待测物体受到压力作用时，传感器会产生相应的变形，并将这一变形转化为电信号。
测量压电陶瓷产生的电势差可以使用电位计进行。
电位计通过连接到压电陶瓷的两个电极上，测量电势差的大小。
一般来说，电位计与数据采集设备连接，通过设备显示或记录电势差的值，从而得到压力或挤压力的测量结果。
此外，还可以通过震荡测量方法来测量压电陶瓷的输出。
这种方法使用一种频率可变的信号源将信号输入到压电陶瓷上。
压电陶瓷将信号转化为机械振动，然后通过加速度传感器测量振动的大小。
通过测量信号源和传感器之间的相位差以及加速度传感器的输出，可以计算出压电陶瓷的输出。
压电陶瓷的测量原理还可以应用于其他实际场景中，如压力传感器、声音传感器等。
在压力传感器中，压力作用于压电陶瓷上，产生的电势差可以通过电路进行测量，从而得到压力的大小。
在声音传感器中，声音的振动作用于压电陶瓷上，同样可以测量产生的电势差，从而得到声音的信号。
总结起来，压电陶瓷的测量原理基于压电效应，通过测量在压力或挤压作用下产生的电势差，可以得到压力或挤压力的测量结果。
这一原理在各种传感器中得到应用，并在许多领域发挥重要作用。
陶瓷电性能的测定(压电陶瓷d33的测定)-同济大学(精)
ZJ－3AN准静态d33测量仪面板
4、按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调 节“调零”旋钮使面板指示在“0”与“－0”之间跳 动，调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。调零一律 在“快速模式”下进行。
5、“快速模式”测量即连续测量，被测元件均为极 化后已放置一定时间并已彻底放电后（48小时） 的试样，此时“放电提示”红色发光二极管闪烁， 随时提醒操作人员首先对压电元件放电后再进行 测量，以避免损坏仪器。选择“快速模式”测量， 每更换一个被测元件，表头会迅速显示d33结果及 正负极。
2、静态法：操作比较简单，还能同时测出被测试样的压电常数值 和极性，但对被测试样的形状、尺寸要求也比较苛刻，特别是 由于静态法测量中所施加的作用力较大以及压电材料固有的非 线性现象和热释电效应，造成测量误差较大，测试结果可信度 差。
3、准静态法：保留了动态法和静态法测量的优点，对被测试样形 状尺寸的要求放得很宽（片状、柱状、条状、圆管状、圆环状 甚至是半球壳等各种形状、尺寸的试样均能测量），其实用性 更强。此外还具有测量范围宽，分辨率细，可靠性高，操作简 单快捷等诸多特点。
陶瓷电性能的测定
（压电陶瓷d33的测定）
压电常数d33是压电陶瓷重要的特性参数 之一，它是压电介质把机械能（或电能）转换 为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力 或应变和电场或电位移之间的联系，直接反映 了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。
一、测试方法：
1、动态法：压电常数精度高，但对被测试样的形状、尺寸有严格 的限制，测量方法也非常烦琐，同时还存在无法测得试样极性 的缺陷；
压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数
压电陶瓷材料测试需要知道的13个基本参数压电陶瓷材料是一种能够通过施加电压或应力来产生机械变形，或者通过施加机械压力或应变来产生电荷分离的材料。
在压电陶瓷材料测试中，以下是13个基本参数，用于评估和分析材料的性能和特性。
1.压电系数（Piezoelectric Coefficient）：表示压电陶瓷材料在单位电场下产生的机械应变或单位应变下产生的电荷。
具体包括压电应变系数和压电电荷系数。
2.介电常数（Dielectric Constant）：指材料在外加电场下的电容率。
介电常数决定了材料的电介质性能。
3.机械质量密度（Mechanical Density）：表示单位体积内材料的质量。
机械质量密度影响材料的力学性能。
4.晶体结构（Crystal Structure）：描述压电陶瓷材料的晶体结构，如立方晶系、四方晶系等。
5.绝缘电阻（Insulation Resistance）：表示材料对电流的阻抗能力。
绝缘电阻高表示材料的绝缘性能好。
6.介电损耗因子（Dielectric Loss Factor）：表示压电材料在交变电源下的能量损耗。
7.压电耦合因子（Piezoelectric Coupling Factor）：表示材料电能到机械能的转换效率。
该参数对于传感器和执行器的性能至关重要。
8.矢量震荡模式（Vector Resonance Mode）：表示压电材料在特定频率下的最佳工作模式。
根据应用的需要，不同的矢量震荡模式可以选择。
9.饱和电压（Saturation Voltage）：指材料在电场作用下的饱和电压值。
在此电压下，材料的压电响应达到最大。
10.功率密度（Power Density）：表示材料转换电能到机械能的能力。
高功率密度表示材料具有更高的工作效率。
11.主谐波（Fundamental Resonance）：表示材料在特定频率下的共振点。
主谐波频率是设计和优化压电材料应用的重要参考。
12.稳定性（Stability）：指材料在温度、湿度和外界环境变化下的稳定性能。
陶瓷电性能的测定(压电陶瓷d33的测定)-同济大学(精)
5、“快速模式”测量即连续测量，被测元件均为极 化后已放置一定时间并已彻底放电后（48小时） 的试样，此时“放电提示”红色发光二极管闪烁， 随时提醒操作人员首先对压电元件放电后再进行 测量，以避免损坏仪器。选择“快速模式”测量， 每更换一个被测元件，表头会迅速显示d33结果及 正负极。
二、实验原理：
仪器发出电驱动信号，使测试头内的电磁驱动 部分产生一个约0.25牛顿，频率为110赫兹的低频 交变力，通过上下探头加到被测试样和内部的比较 样品上，由于两者在力学上串联，因而所受到的交 变力相等。由正压电效应产生出的两个压电电信号 再由仪器处理后，即显示其d33值和极性。
准静态法方便快捷，精确度高，实用性强。
2、静态法：操作比较简单，还能同时测出被测试样的压电常数值 和极性，但对被测试样的形状、尺寸要求也比较苛刻，特别是 由于静态法测量中所施加的作用力较大以及压电材料固有的非 线性现象和热释电效应，造成测量态法和静态法测量的优点，对被测试样形 状尺寸的要求放得很宽（片状、柱状、条状、圆管状、圆环状 甚至是半球壳等各种形状、尺寸的试样均能测量），其实用性 更强。此外还具有测量范围宽，分辨率细，可靠性高，操作简 单快捷等诸多特点。
三、实验仪器与设备：
ZJ－3AN准静态d33测量仪
四、实验步骤：
1、用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接 通电源。
2、把附件盒内的Φ20尼龙片插入测量头的上下探头 之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。
3、把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d33”一 侧，此时前面板右上方绿灯亮；“量程选择”开关 一般置于“×1”档即可。
压电陶瓷基本知识
Ku d m Ca
结论：灵敏度与压电系数d成正比，与质量m成正比。 增加质量：影响被测体振动状态
压介电电常陶数ε瓷的主要性能参数 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常 用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介 电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求 陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料 的介电常数要小。
薄形长片长度伸缩模式的耦合系数为K31（横向耦合系数）；
圆柱体轴向伸缩模式的耦合系数为K33（纵向耦合系数）等。
压电陶瓷的主要性能参数
压机械电品陶质因瓷数的Qm主要性能参数
压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需要消耗能量。
机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的一个参数。Qm越
大，能量消耗越谐小振。时机振械子品储质存因的数机Qm械的能定义式是： Qm 2 每一谐振周期振子所消耗的机械能
自由电荷
电极
束缚电荷
自由电荷
图5 束缚电荷和自由电荷排列示意图
压电陶瓷的基本概念 并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材 料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧 化铅、氧化锆、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧 化锌等。
压电陶瓷的基本概念 三 铁电晶体中存在着自发极
个 化方向不同的小区域，那 重 些自发极化方向相同的区 要 域称为电畴（黑色粗线为 概 畴壁）。 念
对于自发极化而言，从宏 观统计来看，晶体中存在 着各个方向的自发极化， 它们相互抵消，宏观上对 外不呈现极性。
压电陶瓷基本概念 三 2、人工极化
压电陶瓷基本知识
压发展电历陶史瓷的基本知识
压电陶瓷的基本概念 压电陶瓷的主要性能
压电陶瓷测量基本知识
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，C I为同相分量，R I为异相分量，C I与总电流I 的夹角为 ，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 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m Q 的定义为：π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。
陶瓷电性能的测定 (压电陶瓷d33的测定)
3、准静态法：保留了动态法和静态法测量的优点，对被测试样形 状尺寸的要求放得很宽（片状、柱状、条状、圆管状、圆环状 甚至是半球壳等各种形状、尺寸的试样均能测量），其实用性 更强。此外还具有测量范围宽，分辨率细，可靠性高，操作简 单快捷等诸多特点。
二、实验原理：
仪器发出电驱动信号，使测试头内的电磁驱动
四、实验步骤：
1、用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接 通电源。 2、把附件盒内的Φ20尼龙片插入测量头的上下探头 之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。 3、把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d33”一 侧，此时前面板右上方绿灯亮；“量程选择”开关 一般置于“×1”档即可。 4、按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调 节“调零”旋钮使面板指示在“0”与“－0”之间跳 动，调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。调零一律 在“快速模式”下进瓷电性能的测定
（压电陶瓷d33的测定）
压电常数d33是压电陶瓷重要的特性参数 之一，它是压电介质把机械能（或电能）转换 为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力 或应变和电场或电位移之间的联系，直接反映 了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。
一、测试方法：
1、动态法：压电常数精度高，但对被测试样的形状、尺寸有严格 的限制，测量方法也非常烦琐，同时还存在无法测得试样极性 的缺陷； 2、静态法：操作比较简单，还能同时测出被测试样的压电常数值 和极性，但对被测试样的形状、尺寸要求也比较苛刻，特别是 由于静态法测量中所施加的作用力较大以及压电材料固有的非 线性现象和热释电效应，造成测量误差较大，测试结果可信度 差。
部分产生一个约0.25牛顿，频率为110赫兹的低频
交变力，通过上下探头加到被测试样和内部的比较 样品上，由于两者在力学上串联，因而所受到的交 变力相等。由正压电效应产生出的两个压电电信号 再由仪器处理后，即显示其d33值和极性。
压电陶瓷测量原理
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，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为CRI I C R ωδ1tan == 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m Q 的定义为：π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。
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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，I C为同相分量，I R为异相分量，I C与总电流I的夹角为，其正切值为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:谐振时振子储存的机械能cQm谐振时振子每周所 损失的机械能 2兀机械品质因数可根据等效电路计算而得式中R1为等效电阻（Q ）, s 为串联谐振角频率（Hz ）, C 1为振子谐振时的等效电容（F ），L1为振子谐振时的等效电感。
Q m 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。
不同的压电器件对压电陶瓷材料的Q m 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波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tan1 CR其中3为交变电场的角频率,R 为损耗电阻，C 为介质电容。
s R 1C 1sL 1图1交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）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Q应力的关系表达式为：D drA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=dED S两式中的压电应变常数d在数值上是相同的，即dE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 -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或输入机械能—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，实际应用的需要，因为在实际的应用当中，压电换能器也是接入到具体的电子线路中的，得到压电换能器的等效电路能够更好地对其外围电路进行匹配设计。
由此可见，得到压电换能器的等效电路是十分必要的。
2.3压电换能器的谐振特性将压电换能器按照图2-2所示线路连接。
当改变信号频率时，可以发现，通过压电陶瓷换能器的电流也随着发生变化，其变化规律如图2-3 （a）所示。
从图2-3 （a）可以看出，当信号为某一频率f m时，通过压电陶瓷换能器的电流出现最大值I max ；而当信号变到另一频率f n时，传输电流出现最小值I min。
由流经它的电流随频率的变化可以看出，压电陶瓷换能器的阻抗是随频率的变化而变化的，其变化规律同电流相反，如图2-3（b ）所示。
IE电陶瓷图2-2 压电陶瓷换能器谐振特性接线示意图图2-3 压电陶瓷换能器电流、阻抗同频率的关系曲线（a）电流-频率关系曲线（b）阻抗-频率关系曲线从图中可以看出，当信号频率为f m时，通过压电陶瓷换能器的电流最大，即其等效阻抗最小，导纳最大；当信号频率为f n时，通过压电陶瓷换能器的电流最小，即其等效阻抗最大，导纳最小。
因此把f m称为最大导纳频率或最小阻抗频率；而把f n称为最小导纳频率或最大阻抗频率。
而当信号频率继续增大时，还会出现一系列的电流的极大值和极小值，如图2-4所示。
图2-4 压电陶瓷换能器电流随频率变化示意图（多谐振模式）2.2.4压电换能器的等效电路根据交流电路相关知识，对于图2-5所示好的LC电路来说，其阻抗Z也随着频率的变化而变化。
在图2-2所示的线路中，用LC电路代替压电陶瓷换能器，可以发现，在压电陶瓷换能器的谐振频率处，只要选择合适的L i、C i、R和C o，通过LC电路的电流和LC 电路的阻抗的绝对值随频率的变化曲线，分别同图 2-1中的（b ）和（c ）的关系曲线非常相似。
也就是说，在串联谐振频率附近，压电陶瓷换能器的阻抗特性和谐振特性同 LC电路的阻抗特性和频率特性非常相似。
因此，禾U 用机电类比的方法，可以用一个 LC 电路来表示压电陶瓷换能器的参数和特性，这个 LC 电路即为压电陶瓷换能器的等效电路。
对压电陶瓷换能器来说， 在任何串联谐振频率附近， 其电行为可以用图 2-3所示的LC 电路来表示。
在压电陶瓷换能器的串联谐振频率附近，如果值存在一种振动模式，即没有其它寄生响应，则在串联谐振频率附近很窄的频率范围内， 可以认为压电陶瓷换能器的等效参数R 、C i 、R i 和C 0与频率无关。
在实际中通过选择合适的尺寸进行加工处理，是可以将 所需要的振动模式同其他模式充分隔离开来的。
另外，考虑到在实际中，在通电之后，压电陶瓷换能器必然会存在能量的损耗，这一能量损耗可用一个并联电阻R o 来等效。
所以其最终等效电路图如图2-6所示。
0-RoCD图2-6压电陶瓷换能器等效电路图图中串联支路中的L i 称为压电陶瓷换能器的动态电感，C i 称为动态电容，Ri 称为动态电阻。
这三个参数用来表征压电陶瓷换能器在工作 （加电源激励产生振动）的情况下，振动liC LRCD图2-5 LC 电路部分所受到的力阻抗和介质对振动的反作用的强弱。
并联电容C0又称静态电容，表征压电陶瓷换能器在未加激励的情况下等效为一个纯电容，它的值的大小与换能器的形状有关。
并联电阻R0又称静态电阻，表征换能器的电损耗的大小。
225压电换能器的导纳特性根据已得到的压电换能器的等效电路图，来进一步分析其导纳特性。
为了简化推导,假定压电陶瓷换能器没有电损耗，即R o=O，此时其等效电路即为一个LC电路，如图2-5所示。
则丫丫。
丫1(2-1)式中：Y为换能器的总的导纳值, Y o jB o j 0为并联支路的导纳值, Y G i jB i 为串联支路的导纳值。
先对串联支路进行分析。
Y o jB O j 0G i2R i 若令&R i xG i2 B i所以，B i1-1j C iR(L i iL i2G iR i1j( L i W得到:C iR i2( L iJB1C1(L i2R i ()2x 则x R；C iG i —R i X2 2R )2G iK(x(2-2)L i(L i2R i )）。
由式C i(2-2) 可得:G iR 两边同时加上（2R)2 2B i 点2 (2-3)1若以电导为横坐标，电纳为纵坐标，则式（2-3 ）表示一个以（2R i ,0)i 为圆心，2R i为半径的圆，也即是我们所说的导纳圆。
如图 2-7中虚线所示对于串联支路进行分析，根据串联谐振频率的定义，令B i =0，则由式（2-3 ）可得到G i =0或 G i 1, R i 。
由于实际的压电陶瓷换能器的动态电阻R o 不可能为零，根据式（2-2 ）中G i 的表达式可以知道，只有G i 1 R i 满足串联谐振的条件。
即：L i1 C i所以可以得到串联支路的谐振频率（又称机械共振频率）接着考虑加入静态电容后的情况。
由式（ 2-i ）可知，考虑静态电容后换能器的导纳相当于在串联支路的电纳（虚部）加上 丫。
鉴于一般情况下，压电陶瓷换能器的机械品质因数都较大，也即在串联谐振频率 s 附近，丫0j C o 的值随频率的变化很小，可以近似认为是一个常数。
因此，只需将串联支路所得到的导纳圆的纵坐标向上平移一个常数，而横坐标保持不变即可得到加入静态电容后换能器的导纳关系图，如图 2-7中点划线所示。
若再考虑到换能器的静态电阻并不为零， 则实际中的导纳圆不可能与纵轴相切， 而是向横轴的正向平移一定的量（平移距离的大小取决于静态电阻的阻值） ，如图2-7中实线圆所示对导纳圆图进行简要的分析可知：当f f s 即s 时，电纳值大于零，当f f s 即s 时，电纳值小于零。
所以，随着频率的增加，导纳圆是沿顺时针方向变化的。
另外,在串联谐振频率的附近， 还存在着两个频率点使得换能器总的电纳为零,此时电源信号经过图2-7 导纳圆图s(2-4)换能器之后只有幅值的改变，而没有相位的变化，也即电压和电流信号同相位。
这两个频率 中，值较小的那个频率 fr 称为谐振频率，较大 f a 的称为反谐振频率。
另外还存在使得换 能器的导纳值取得最大的频率 f m ，导纳值最小的频率 f n 。
连接原点和串联谐振频率点，与导纳圆的交点处的频率 f p 称为并联谐振频率。