压电陶瓷阻抗特性分析

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压电陶瓷性能参数解析

压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。

在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。

由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。

根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。

（2）介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。

在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同相），由电导过程所引起的；一种为无功部分（异相），是由介质弛豫过程所引起的。

介质损耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示，Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I的夹角为δ，其正切值为(1-4)式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。

由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。

通常用tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。

处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。

处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。

此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。

（3）弹性常数压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。

设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的应变为S，则根据胡克定律，应力T与应变S之间有如下关系S=sT(1-5)T=cS(1-6)式中，S为弹性顺度常数，单位为m2/N；C为弹性劲度常数，单位为N/m2。

但是，任何材料都是三维的，即当施加应力于长度方向时，不仅在长度方向产生应变，宽度与厚度方向上也产生应变。

压电陶瓷阻抗特性分析

压电陶瓷阻抗特性分析摘要：本文以压电陶瓷阻抗为研究对象，首先介绍了压电陶瓷的等效模型，然后进一步分析等效模拟的匹配及效率，对比验证推理及测试结果，推出压电陶瓷阻抗特性的关系，希望可以为有需要的人提供参考意见。

关键词：压电陶瓷、阻抗分析、阻抗匹配、效率一、压电陶瓷等效电路模型在狭窄的谐振频率范围内，压电陶瓷电路模型可以用以下电路来等效：其中，称为静态电容，称为等效电容，称为等效电感，称为等效电阻。

与晶片的尺寸、电极布置方式等有关，可以用Q表电容表在远低于其谐振频率的频率上直接测得。

串联支路上的、谐振时的频率就是串联谐振频率，在频率较低时，的容抗远大于等效电阻，对测量的值的影响可以忽略。

其总阻抗为：在、和组成的串联电路中，其阻抗特性如下图所示：和决定了压电陶瓷的串联谐振频率，其值为：在这个谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极小值，并且，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的发射体。

在时，和组成的串联电路呈感性，与并联等效电容组成并联谐振，其阻抗特性如图3所示：在这个并联谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极大值，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的接收器。

实测结果为。

综合图2和图3，可以绘出压电陶瓷在谐振频率附近的阻抗特性如图4所示：由图4可以得出，若使，换能器处于最佳发射状态，但接收效率最低。

若使,换能器处于最佳接受状态，但发射效率最低。

所以应该在和之间折中选择。

如果使用的是2的驱动频率，所以应选择标称谐振频率（即串联谐振频率）为1.9偏下为宜。

二、超声换能器阻抗匹配通过对超声换能器的研究可知，当压电陶瓷的工作频率远低于其固有频率时，压电陶瓷的电学特性等效于一个电容器，通常称此电容为静态电容，即图1中的,可通过电容表直接测得，在超声换能器工作过程中近似为常数。

超声换能器是一种机电转换元件，具有电学和机械两种端口。

在机械端是通过声学元件与声学负载相连，在电端则是通过匹配电路与超声功率源相连。

声学匹配的好坏决定换能器的技术特性和应用场合，而电匹配的优劣则直接影响超声设备的作用效果。

超声换能器阻抗和相位测试压电陶瓷

超声换能器(压电陶瓷)的阻抗和相位测试1、超声波换能器，英文名称为Ultrasonic transducer，是一种将高频电能转换为机械能的能量转换器件。

其常被用于超声波清洗机、超声波焊接机、三氯机、气相机等设备中，在农业、工业、生活、交通运输、军事、医疗等领域内都得到了广泛的应用。

2、超声波换能器原理- -结构超声波换能器主要包括外壳、声窗(匹配层)、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆、Cymbal阵列接收器等几大部分构成。

其中，压电陶瓷圆盘换能器起到的作用和一般的换能器相同，主要用于发射并接受超声波;而在压电陶瓷圆盘换能器的上面是Cymbal阵列接收器，主要由引出电缆、Cymbal换能器、金属圆环和橡胶垫圈组成，用作超声波接收器，接受压电陶瓷圆盘换能器频带外产生的多普勒回拨信号。

3、超声波换能器原理- -应用(1)超声波清洗机利用超声波在清洗液中不断地进行传播来清洗物体上的污垢，其超声波振动频率便是由超声波换能器决定的，可根据清洗物来设定不同的频率以达到清洗的目的。

(2)超声波焊接机利用超声波换能器产生超声波振动，振动产生摩擦使得焊区局部熔化进而接合在一起。

(3)超声波马达中并不含有超声波换能器，只是将其定子近似为换能器，利用逆压电效应产生超声波振动，通过定子与转子的摩擦进而带动转子转动。

(4)超声波减肥和医疗美容仪器利用超声波换能器产生机械振动，将脂肪细胞振碎并排出体外，进而达到减肥的效果。

（5）电子血压计，利用超声波换能器接收血管的压力, 当气囊加压紧压血管时, 因外加压力高于血管舒张压力, 超声波换能器感受不到血管的压力; 而当气囊逐渐泄气, 超声波换能器对血管的压力随之减小到某一数值时, 二者的压力达到平衡, 此时超声波换能器就能感受到血管的压力, 该压力即为心脏的收缩压, 通过放大器发出指示信号, 给出血压值。

电子血压计由于取消了听诊器, 可减轻医务人员的劳动强度。

医学超声成像技术、X-CT、MRI及ECT是现代医学成像技术的四大医学影像技术,己广泛应用于心脏科、产科、眼科、肝、。

陶瓷的阻抗原理是什么原理

陶瓷的阻抗原理是什么原理陶瓷的阻抗原理是指陶瓷材料在交流电场下的电阻、电感和电容性质。

陶瓷材料是一种非金属无机化合物，具有高熔点、高硬度、耐磨损、化学稳定性好等特点。

在使用中，它常常作为绝缘体、电介质和传感元件等领域的重要材料。

陶瓷材料的导电性能与其内部结构和化学组成密切相关。

陶瓷材料具有较高的伊辛模量，这意味着它们具有较高的抵抗性，电流不易通过。

与金属材料相比，陶瓷材料的电导率很低，因此陶瓷通常被视为绝缘体。

然而，陶瓷材料的导电行为与其他材料相比也具有一些特殊性。

陶瓷材料可以显示电子的微弱动能，具有电阻、电感和电容性质。

首先，陶瓷材料的电阻性质指的是在交流电场下的电阻行为。

陶瓷材料本身具有较高的电阻率，可以起到隔离电流的作用，因此可以用作电气绝缘材料。

陶瓷材料的电阻与其晶体结构、化学成分和杂质含量等因素密切相关。

特别是在高温下，陶瓷材料的电阻特性会发生改变，可以由金属导体向半导体或超导体过渡。

其次，陶瓷材料的电感性质指的是在交流电场下的电感行为。

陶瓷材料的微小电感主要是由于其结构中的电荷分布不均匀引起的，这导致了一些局部电流环路。

通常情况下，陶瓷材料的电感较小，但在特定频率范围内会发生共振现象，这是因为材料的结构和电场之间发生了共振耦合。

最后，陶瓷材料的电容性质指的是在交流电场下的电容行为。

陶瓷材料中存在不同的电离态和局部电场，导致了局部电荷分布不均匀。

因此，陶瓷材料可以存储电场能量，并表现出一定程度的电容效应。

与传统的电容器相比，陶瓷材料的电容性质更加复杂，其电容值可以通过材料结构的改变而发生变化。

综上所述，陶瓷的阻抗原理是指在交流电场下，陶瓷材料具有电阻、电感和电容性质。

陶瓷材料的电导率较低，但电阻特性受到晶体结构、化学成分和杂质等因素的影响。

陶瓷材料的电感性质主要是由于局部电流环路引起的微小电感，而电容性质则是由于电离态和局部电场的存在而导致的电容效应。

这些电阻、电感和电容行为在陶瓷制备和使用中起着重要的作用，使得陶瓷材料在电子电气、绝缘、传感和电容等领域有着广泛的应用前景。

3iFe03-PbTi03系高温压电陶瓷的阻抗谱分析

ａｔａｉｎｅｅｇｃｉｔｎｒｙＥｉ８Ｖ．ｖｏｓ０．８ｅ
Ｋｅｗｏｄ：ｉｅａｃｓｅｔｓｏｙ；ｈｇｔｍｐｒｔｒｃｒｍｉｙｒｓｍｐｄｎｅｐｃｒｃｐｏｉｈｅｅａｕｅｅａｃ；ｅｕｖｅｔｃｒｕｔｃｎｕｔｎｑｉａｎｉｃｉ；ｏｄｃｉｌｏ
ｍｅｈｎｓｃａｉｍ
近年来，为满足在苛刻条件下使用传感器和换能器的需求，温压电材料引起了越来越多的关高注６．ＢＦＯ一ｂｉ（Ｂ —Ｉ）是由三方结构１３ｉｅＰＴＯ－ＦＰ＇ＢＦＯ和四方结构ＰＴＯ构成的固溶体．ｉｅｂｉ与传统锆
ｔｐｒｕｅｅｍｃ０６（ｉ４ａ０）Ｇ０５ｅ９）３．７ｂｉ３ＢＧ — ）ｈｎｌｉｏｅｅｔｒｉ．３Ｂ００６（ａ００５Ｏ－３ＰＴＯ（ＬＦＰ．ＴｅａａｓｆｍａｒｃａｓＬ９．Ｆ．０Ｔｙｓ
第１７卷第４期２１０１年８月
上海大学学报（然科学版）自
ＪＵＮＬＯＨＮＨＩＮＶＲＩＹＮＴＲＬＳＩＮＥＯＲＡＦＳＡＧＡＩＥＳ（ＡＵＡＣＥＣ）ＵＴ
Ｖｏ．７Ｎｏ４１１．
ｅｔｃｅｒｍｏｌｘｉｅａｃｌｔｅｒａｅｗｉｈｎｒａｅｏｅｅａｕｅａｄｔｅｃｃｌｔｄｘｒｔｄｆｏｃｍｐｅｍｐｄｎｅｐｏｓｄｃｅｓｔｔｅｉｃｅｓｆｔｍｐｒｔｒ，ｎｈａｕａｅａｈｌ

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。

压电陶瓷声阻抗

压电陶瓷声阻抗压电陶瓷声阻抗是指在声波作用下产生的电压和电流之间的比值。

压电陶瓷是一种特殊的材料，具有压电效应，即在施加力或压力时会产生电荷分离。

由于压电陶瓷具有可逆的压电效应和逆压电效应，使得它在许多领域中得到广泛应用。

声阻抗是声波传播过程中介质对声波的阻抗，它包括声波在空气和介质之间的传播阻抗和介质本身的阻抗。

而压电陶瓷的声阻抗与其压电性能密切相关。

压电陶瓷的声阻抗与其物理特性密切相关。

首先，压电陶瓷的声阻抗与其压电系数有关。

压电系数是指材料在压电效应下产生的电荷与压力或应变之间的比例关系。

压电陶瓷的压电效应使得其能够将声波转换为电信号或反过来，将电信号转换为声波。

其次，压电陶瓷的声阻抗与其密度和声速有关。

密度越大，声阻抗越大；声速越小，声阻抗越小。

最后，压电陶瓷的声阻抗还与其厚度有关。

压电陶瓷越厚，声阻抗越大。

压电陶瓷的声阻抗对于一些特定应用非常重要。

例如，在无损检测中，声阻抗的匹配可以增强信号的传输和检测的准确性。

同时，在超声波治疗中，声阻抗的匹配可以提高能量的传递效率，从而更好地治疗病变组织。

此外，在声纳系统和声学传感器中，压电陶瓷的声阻抗也是关键参数，它可以影响声波的传播和接收效果。

为了提高压电陶瓷的声阻抗匹配，可以采取一些措施。

首先，可以通过改变压电陶瓷的尺寸和厚度来调节声阻抗。

其次，可以利用特殊的耦合层或缓冲层来增加声阻抗的匹配性能。

还可以通过选择合适的接触材料和设计合适的结构来提高声阻抗的匹配效果。

总之，压电陶瓷的声阻抗是指在声波作用下产生的电压和电流之间的比值。

它与压电陶瓷的物理特性密切相关，包括压电系数、密度、声速和厚度等。

压电陶瓷的声阻抗对于一些应用非常重要，如无损检测、超声波治疗和声纳系统等。

为了提高声阻抗的匹配性能，可以采取一些措施，如改变尺寸和厚度、使用耦合层和设计合适的结构等。

通过优化声阻抗的匹配，可以提高压电陶瓷的应用效果。

压电陶瓷高温电阻率

压电陶瓷高温电阻率
压电陶瓷是一种能够将机械压力转换为电信号的功能材料，具有压电效应。

在高温环境下，压电陶瓷的电阻率是一个重要的参数，因为它会影响压电陶瓷的电学性能和可靠性。

对于高温压电陶瓷材料，其电阻率通常会随着温度的升高而降低。

这是由于在高温下，材料中的离子运动会加剧，导致电子的散射增加，从而降低了材料的导电性。

因此，高温压电陶瓷的电阻率通常较低，这可能会限制其在高温环境下的应用。

为了提高高温压电陶瓷的电阻率，可以采取以下措施：
1. 优化材料的成分：通过调整压电陶瓷的化学成分，可以改变材料的晶体结构和电子能带结构，从而提高其电阻率。

2. 改进制备工艺：优化制备工艺可以控制材料的晶粒尺寸、晶界密度和缺陷密度，从而减少电子的散射，提高材料的电阻率。

3. 引入掺杂：通过在压电陶瓷中引入适量的杂质，可以改变材料的电导率，从而提高其电阻率。

4. 表面处理：对压电陶瓷的表面进行处理，如涂层或镀膜，可以减少表面漏电，提高材料的电阻率。

5. 复合材料设计：将压电陶瓷与高电阻率的材料复合，可以利用复合材料的界面效应和协同作用，提高整体材料的电阻率。

提高高温压电陶瓷的电阻率是一个复杂的问题，需要综合考虑材料的成分、制备工艺、掺杂和表面处理等因素。

通过优化这些参数，可以有效地提高高温压电陶瓷的电阻率，拓展其在高温领域的应用。

请注意，以上内容仅为扩展，具体信息可能需要进一步的研究和实验验证。

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，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tan 1CR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 R1C1 s L1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 ）, C1为振子谐振时的等效电容（F），L1为振子谐振时的等效电感。

压电陶瓷性能参数解析

T=cS(1-6)式中，S为弹性顺度常数，单位为m2/N；C为弹性劲度常数，单位为N/m2。

但是，任何材料都是三维的，即当施加应力于长度方向时，不仅在长度方向产生应变，宽度与厚度方向上也产生应变。

设有如图1-2所示的薄长片，其长度沿1方向，宽度沿2方向。

沿1方向施加应力T1，使薄片在1方向产生应变S1，而在方向2上产生应变S2，由（1-5）式不难得出S1=S11T1(1-7)S2=S12T1(1-8)上面两式弹性顺度常数S11和S12之比，称为迫松比，即(1-9)它表示横向相对收缩与纵向相对伸长之比。

同理，可以得到S13，S21，S22，其中，S22=S11，S12=S21。

极化过的压电瓷，其独立的弹性顺度常数只有5个，即S11，S12，S13，S33和S44。

独立的弹性劲度常数也只有5个，即C11，C12，C13，C33和C44.由于压电瓷存在压电效应，因此压电瓷样品在不同的电学条件下具有不同的弹性顺度常数。

在外电路的电阻很小相当于短路，或电场强度E=0的条件下测得的称为短路弹性顺度常数，记作S E。

在外电路的电阻很大相当于开路，或电位移D=0的条件下测得的称为开路弹性顺度常数，记作S D。

由于压电瓷为各向异相性体，因此共有下列10个弹性顺度常数：S E11，S E12，S E13，S E33，S E44，S D11，S D12，S D13，S D33，S D44。

同理，弹性劲度常数也有10个：C E11，C E12，C E13，C E33，C E44，C D11，C D12，C D13，C D33，C D44。

（4）机械品质因数。

压电阻抗技术的基本原理

i 是虚数单位，ω 是所加激励的角频率，ZS 是结构的机械阻抗， ZA 是 PZT 的机械阻抗。在（7）式中，我们可以看出第一项仅与压电陶瓷片的本身的属性有关，表示的是压电系数导纳随频率变化的基线。第二项为同时包含压电片的阻抗和试件的机械阻抗。对给定的质量—弹簧—阻尼系统来说，压电陶瓷的耦合电导纳与压电片的大小、压电常数、测试系统的杨氏模量、激励信号的角频率和结构的机械阻抗有关。一旦被测系统参数确定，其几何参数 a、激励频率 ω、复介电常数 ε33-T、压电常数 d32、杨氏模量 Y22E 和 PZT 的机械阻抗是不变的，所以电导纳 Y 就可以看成只和试件的结构有关。当结构中存在一定损伤时，试件的杨氏模量和结构阻抗都会发生变化，此时的压电片可以看成一个自感传感器，由阻抗分析仪检测分析变化。就可以达到测量微小损伤的目的。参考文献： [1] 朱宏平 , 王丹生 , 张俊生 . 基于压电阻抗技术的结构损伤识别基本理论及其应用 [J]. 工程力学 ,2008(12). [2] 董昕 . 结构损伤阻抗识别方法试验与应用研究 [D]. 北京化工大学硕士学位论文 ,2012(05). [3] 李万春 . 含损伤结构的压电阻抗模型及其应用 [D]. 宁波大学硕士学位论文 ,2012(01). [4] 冯伟 . 应用于结构健康监测的压电阻抗技术研究 [D]. 硕士学位论文 ,2007(01). 作者简介：郭运坤（1993-）, 男 , 硕士。
（5）
(a) 正压电效应
（b）逆压电效应
在大多数情况下，实验频率远低于 PZT 的共振频率，因此（6）
261
理论研究
压电阻抗技术的基本原理
郭运坤（中国人民解放军装甲兵工程学院机械工程系 , 北京 100000）

压电陶瓷换能器阻抗匹配

压电陶瓷换能器阻抗匹配
压电陶瓷换能器的阻抗匹配是指将换能器与其所连接的电路或系统之间的阻抗进行调整，以实现最大功率传输和能量转换效率的优化。

阻抗匹配通常通过使用适当的电路元件来实现，例如电感、电容等。

换能器的阻抗主要包括输入阻抗和输出阻抗。

在输入端，为了有效地传递信号给换能器，输入阻抗应该和信号源的输出阻抗相匹配。

如果输入阻抗过高，信号源无法将足够的功率传递给换能器；如果输入阻抗过低，信号源将无法提供足够的电流给换能器。

因此，需要选择合适的电路元件来调整输入阻抗，以使其与信号源的输出阻抗匹配。

在输出端，为了有效地将换能器转换的能量传递给负载或接收器，输出阻抗应该和负载或接收器的输入阻抗相匹配。

如果输出阻抗过高，将导致能量无法有效地传递给负载；如果输出阻抗过低，会产生反射，并导致能量损失。

因此，同样需要选择合适的电路元件来调整输出阻抗，以使其与负载或接收器的输入阻抗匹配。

在实际应用中，可以根据具体的系统要求和换能器参数来进行阻抗匹配设计。

通常使用网络分析仪等测试设备来测量换能器的阻抗，并进行合适的电路设计和调整，以实现最佳的阻抗匹配效果。

压电陶瓷性能参数解析

压电陶瓷性能参数解析压电陶瓷是一种应用广泛的功能陶瓷材料，具有优异的压电性能。

压电陶瓷的性能参数对于材料的应用和设计具有重要的参考意义。

本文将对压电陶瓷的几个重要性能参数进行解析，并分析其对材料性能的影响。

1.压电系数压电系数是衡量压电陶瓷材料压电效应强弱的一个重要参数。

它表示了材料在受到外界应力或电场刺激下的压电响应程度。

压电系数通常分为压电应力系数d和压电电比系数g两种。

其中，d系数表示了材料在受到外力压紧时输出的电荷量与应力之间的关系，而g系数表示了材料在受到外电场刺激时输出电荷的量与电场强度之间的关系。

2.介电常数介电常数是指材料在外电场刺激下的电介质性能。

它反映了材料对电磁波的介质响应能力。

介电常数由静电介电常数ε和介电损耗tanδ两个参数组成。

静电介电常数ε表示了材料在频率趋近于零时的介电性能，而介电损耗tanδ则表示了材料在外电场作用下存在的能量损耗。

3.压电谐振频率和机械品质因数压电谐振频率是指压电元件在应用于谐振电路时的共振频率。

它是由压电材料的物理性质和结构参数共同决定的。

机械品质因数则是衡量压电元件在谐振电路中信号传输的能力和能量损耗的一个参数。

较高的机械品质因数意味着能够更有效地将能量传输给压电材料。

4.矢量磁导率矢量磁导率是压电陶瓷材料对磁场的响应能力。

它由静磁导率和磁导率损耗θ两个参数组成。

静磁导率描述了材料对磁场的响应能力，而磁导率损耗θ则表示了材料在外磁场作用下存在的能量损耗。

这些性能参数对于压电陶瓷材料的应用具有重要的影响。

例如，较高的压电系数和介电常数意味着材料具有更强的压电效应和介电性能，适用于压电传感器和电控驱动器件等领域。

而较高的压电谐振频率和机械品质因数则意味着材料能够更好地应用于高频谐振器和滤波器等器件。

另外，矢量磁导率的大小对于磁声换能器和磁传感器的性能也有着重要的影响。

总之，了解和解析压电陶瓷的性能参数对于材料的选择和应用具有重要的意义。

不同性能参数的大小和综合能力决定了压电陶瓷的功能和应用范围。

压电陶瓷阻抗曲线

压电陶瓷阻抗曲线压电陶瓷是一种特殊的材料，具有良好的压电效应和机械稳定性。

在压电陶瓷研究中，阻抗曲线是评估材料性能和性能测试的重要工具。

下面将详细介绍压电陶瓷阻抗曲线的特点及其应用。

首先，压电陶瓷阻抗曲线是在给定频率下，测量材料阻抗（包括电容、电感和电阻）随外加电压的变化。

通过测量阻抗曲线，可以获取材料的压电参数，如压电常数、介电常数等。

压电常数描述了压电材料在压力或电场作用下转换电能和机械能之间的关系。

压电陶瓷的压电常数与其晶体结构、成分和制备工艺密切相关，因此阻抗曲线可以帮助我们了解材料特性及其对外界刺激的响应。

其次，压电陶瓷阻抗曲线的特点是呈现出明显的共振峰。

在低频段时，阻抗曲线呈现出电容主导，而在高频段时，阻抗曲线呈现出电感主导。

具体而言，低频段的共振峰可用来估测材料的电容和电极效应，而高频段的共振峰则可用来评估材料的电感和谐振特性。

共振峰的位置和幅度可以提供有关材料压电性能的重要信息，如压电耦合系数、机械品质因数等。

此外，压电陶瓷阻抗曲线还可以应用于材料质量控制和性能优化。

通过观察和分析阻抗曲线，可以检测材料中的缺陷和杂质，并评估其对材料性能的影响。

同时，阻抗曲线可以指导工程师设计和制备更高效、稳定的压电陶瓷材料，以满足不同领域的应用需求。

例如，在声波传感器和换能器中，通过优化压电陶瓷的阻抗曲线，可以提高传感器的灵敏度和转换效率。

综上所述，压电陶瓷阻抗曲线是评估和控制材料性能的重要工具。

通过测量阻抗曲线，我们可以获取关于材料的压电参数、共振特性和质量状况的信息。

这些信息有助于进一步了解压电陶瓷的性质和应用，并为材料设计和优化提供指导。

压电陶瓷阻抗曲线的研究将为压电技术的发展和应用带来更多的可能性。

压电陶瓷特点

压电陶瓷特点
压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应，即在施加或取消机械压力时会产生电荷分布的变化。

以下是压电陶瓷的一些特点：
1. 压电效应：压电陶瓷的最显著特点是具有压电效应。

当施加压力或拉伸力时，其晶格结构发生变化，导致正电荷和负电荷在陶瓷内部的分布发生变化，从而产生电荷。

这个电荷分布的变化产生的电场使得压电陶瓷呈现出电荷的极性。

2. 压电材料应用广泛：压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、声波器件等领域。

例如，压电陶瓷可以用于制造压电传感器，用于检测和测量压力、力、温度等物理量。

3. 高频响应：压电陶瓷具有较高的频率响应能力，因此常被应用于声波器件，如扬声器、超声波发生器等。

4. 机械刚性好：压电陶瓷具有较好的机械刚性，可以在较大的压力范围内保持其稳定性，这使得它在一些需要耐高压力环境的应用中具有优势。

5. 温度稳定性：压电陶瓷具有相对较好的温度稳定性，能够在一定温度范围内保持压电效应的稳定性。

6. 易加工：压电陶瓷易于制备和加工，可以通过陶瓷成型和烧结等工艺进行制造，使其形成不同形状和尺寸的器件。

7. 良好的电机械能换能性能：压电陶瓷具有良好的电机械能换能性能，即可以将电能转换为机械能，也可以将机械能转换为电能。

8. 耐腐蚀性：压电陶瓷具有较好的耐腐蚀性，可以在一些特殊环境下使用。

总体而言，压电陶瓷以其独特的压电性能在多个领域有广泛的应用，从传感器到声学器件等，都发挥着重要的作用。

压电陶瓷阻抗

压电陶瓷阻抗
压电陶瓷是一种具有特殊性能的材料，其电阻值随外力的变化而变化。

它的阻抗包括电阻和电抗两个部分。

电阻部分表示为实部，它消耗电能并将其转换为热能。

在压电陶瓷中，实部通常表示电路中的电阻，由欧姆定律可知，它与电压和电流成正比，即电阻值R等于电压V除以电流I。

电抗部分表示为虚部，它不消耗电能，而是存储电能并参与能量转换。

虚部包括感抗和容抗两个部分。

感抗是由于导体中有随时间变化的磁场而产生的，而容抗是由于导体中有随时间变化的电场而产生的。

压电陶瓷的阻抗复数形式可以用来描述其特性。

复数形式的阻抗可以表示为实部和虚部的组合，其中实部表示电阻，虚部表示电抗。

这种组合形式可以用来描述压电陶瓷在交流电下的行为。

在测量压电陶瓷的阻抗时，可以使用LCR测量表来测量其阻抗电容和等效串联电阻。

通过测量可以得到压电陶瓷的电容值和等效串联电阻值，从而得到其阻抗值。

还可以使用示波器来观察压电陶瓷的输出信号。

通过示波器可以观察到电压的变化范围，从而得到其输出信号的阻抗。

压电陶瓷的阻抗值会受到多种因素的影响，如电压、频率、温度等。

因此，在实际应用中，需要根据具体情况对阻抗值进行修正和调整。

压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计

压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计1回顾一下阻抗的基本概念在直流电路里欧姆定律规定了器件的电阻等于器件两段的电压与流过器件的电流之比其中R的单位是欧姆V的单位是伏特I的单位是安培在交流电路里电阻的定义被扩展加入了随时间变化而变化的电压电流的相位关系阻抗Z代表交流等效电阻而且同样是电压与电流的比值在这里电压V(t)与电流I(t)都是时间的函数与电阻一样阻抗同样用欧姆作为单位不同之处是阻抗用复数来表示任意一个复数都可以用A+jB这样的形式来表示一个复数包含两个部分实部A和虚部jB根据定义1j−=这意味着j的平方的结果是12换能器等效电路在狭窄的谐振频率范围内压电陶瓷换能器的模型可以用以下等效电路来表示串连电感L和电容C是换能器固有的跟串连谐振频率有关这个串连谐振频率可以用等效电感L和电容C来表示在谐振频率下串连等效电容C的容抗X C 完全抵消掉串连等效电感的的感抗X L 从而换能器阻抗|Z|达到极小值R 在f r 附近换能器相当于一个效率达到极值的发射体并联等效电容C 0与L,C一起产生了另外一个谐振频率并联谐振频率f a 对于压电陶瓷换能器并联谐振频率通常比串连谐振频率高几KHz f a 可用下面的等式表示在这个并联谐振频率里换能器的阻抗达到最大值在这个频率附近换能器可以等效为一个效率最高的接收器值得注意的是总体并联等效电容包括整个系统中的传输电缆连接器回波检测电路以及发射电路的等效电容所以常常需要尝试改变并联谐振频率同样值得注意的是总体并联等效电容相当于一个交流负载不但减小接收信号的振幅而且需要发射电路提供更大的电流这个总体并联电容产生的影响在给定的频率范围内可以通过选取一个合适的串连电感或者并联电感来降低外部等效并联电容对换能器的串连谐振频率没有影响3 品质因数换能器的品质因数Q是一个衡量换能器储存能量特性与耗散能量特性之间的关系的量Q用谐振时储存在换能器里的能量来表示Q还可以用以下等式来描述Q还可以用换能器在谐振频率附近的频率响应来描述其中f是换能器的-3dB带宽中心频率f r 就是串连谐振频率从等式可看出换能器在固定的串连谐振频率下Q值越大其带宽就越小4 换能器两端的等效阻抗通常需要得到在特定频率下换能器两段呈现的特性为了这个目的我们的等效电路可以更进一步简化在一个特定频率下除了谐振频率C和L之中会有一个起到主要作用因而换能器两端将呈现出容性或者感性这两种情况可以用下图表示其中Rs串连等效电阻Xs串连等效电抗注意Rs和Xs是跟频率密切相关的串连模型不便于计算调谐匹配电路因而我们通常把串联等效电路Figure3和Figure4转换为等同的并联等效电路Figure5和Figure6Rp和Xp的值由Rs和Xs经过下面的公式转换得到跟Rs和Xs一样Rp和Xp的值跟频率密切相关假设Xp是容性那么相应的并联等效电容的值是即使Xp是感性上面的等式依然适用只是此时计算出来的Cp是负值换能器的频率特性可以用以下单位来方便地描述阻抗值和阻抗角|Z|和不管是串连等效电阻和串连等效感抗Rs jXs并联等效电阻和并联等效容抗Rc jXc还是导纳和电纳G jB5测定换能器谐振电阻以下的步骤可以测量出换能器在谐振时的大致等效电阻R谐振时R Rs Rp尽管不是十分完美在实际应用中通过这个测量步骤可以获得足够高精度的结果注意以下事项a在这个测量中换能器工作在不平衡状态一端接地b如果在给定频率下换能器两端的电压幅值不足够高那么测量得到的结果更接近于|Z|而不是R当然了测量到的结果不包含相位特性感性或容性所需设备a正弦信号发生器b可变电阻或者50到5000欧姆的固定电阻c示波器d欧姆表测量步骤1按照Figure7连接好电路将电阻大约设置为1000欧姆如果是水声应用还需要把换能器浸入水中2调整正弦信号发生器的输出频率直到从示波器上看到的波形的幅值达到最小谐振时换能器等效阻抗达到最小值此时的频率就是谐振频率并且应该落在换能器的标称工作频率附近的几KHz范围内3断开换能器的一端并且把可调电阻调节为0欧姆测量开路时的信号电压4重新连接好换能器调节可调电阻直到测量到的信号电压变为开路时的信号电压的一半为止5小心取下可变电阻用欧姆表测量它的电阻6换能器在选定频率下的等效电阻就是可变电阻的阻值加上正弦信号发生器的输出电阻即内阻6压电陶瓷换能器的匹配设计在本章里将简单介绍压电陶瓷换能器与电源的大致匹配设计最佳的匹配将实现最大的发射功率并且得到最强的回波在普通应用环境里给一个换能器例如一个水深探测器馈送能量是相当简单的事情当然了如果懂得基本原理只要稍微作一些改动就可以使其适应特别的环境像大部分电抗负载一样压电陶瓷换能器可以呈现为一个串连等效电阻和电容这两个值都和频率有关根据经典转换理论串连电路可以转换为一个完全等效的并联电路如下图所示然而不幸的是转换后的参数同样跟频率密切相关解决这些参数中由频率带来的变数的方法是让其工作在所要求的频率下废话例如在水声接收应用里这个频率就是最佳接收频率在这个准确的频率下压电陶瓷换能器的等效电阻和等效电容可以用测量得到或者直接由换能器的制造厂商提供最简单的匹配方法是用一个合适大小的电感并联在换能器两端使其与换能器的并联等效电容发生谐振从而换能器呈现出的阻抗大小接近于并联电阻Rp如果合成负载的阻抗太高以至于不能直接跟电源匹配则可以把电感换成变压器以实现高阻抗到低阻抗的变换具体实现过程和经典的RF调谐匹配一样首先电感的品质因数Q值必须是合适大小的通常是57如果Q值过低可以增加一个电容C并且减小电感量直到换能器重新变成阻性I负载在这里为了跟电源得到匹配需要增加一组低阻抗的初级线圈初级线圈和次级线圈的匝数比就是初级阻抗和次级阻抗的平方根之比尽管如此提高匝数比是受到限制的对于普通的用铁氧体磁棒和铁氧体外壳缠绕的电感而言匝数比最大大约可以达到221想要达到更大的匝数比则需要换成环形磁芯这是因为环形磁芯的磁耦合系数要比其它现有类型的磁芯大就磁耦合系数而言罐形磁芯的性能介于环形磁芯和棒状磁芯之间在前面关于调谐匹配的讨论中前提都假设电感线圈是无损耗的至少相对于换能器的等效电阻而言是可以忽略不计的要检验这其中是否有问题必须试制计算出来的线圈的样品并通过测量获得它的参数如果拥有一台阻抗分析仪可以在线圈山串连一个经过计算得到的电容然后调整频率使支路的端口电流与端口电压同相位L和C谐振此时阻抗分析仪能直接显示等效电阻值如果没有阻抗分析仪可以用下图所示的方法来测量线圈的分布电阻Rp先调整频率使检测到的相位差为0L和C谐振此时测量到的电压幅值应达到最大值分别将频率调低和调高测量出比最大响应小3dB对应的两个频率值此时其中F L 是较低的频率F H 是较高的频率线圈的等效电阻为线圈的线圈的等效电阻应该被看作并联在换能器等效电阻上如下图所示此时匹配线圈与匹配电容必须根据最新测量到的结果进行重新计算同样地现在有效的输出功率需要重新考虑若线圈的等效电阻与换能器的等效电阻相等则只有一半的能量被换能器发射出去所以应该使线圈的等效电阻相对于换能器的等效电阻而言尽可能大如果线圈已经设计好并且已经安装到电路板上可以通过在线圈上并联一个与换能器并联等效电容大小相同的电容的方法来测量线圈的等效电阻然后改变并联在电感线圈上的负载电阻R L 并计算电源输出功率当工作在换能器的谐振频率时随着R L 的变化应该得到较宽的峰值功率响应如果得不到那么应该调整匝数比或者Q值这种调谐匹配方法的优点是a 所用的器件少成本低b 电缆的阻抗最高因为损耗最小c 如果要延长电缆只需要简单添加一些固定电容器另一个也许值得考虑的方法是利用换能器的串连等效值实现调谐在这个方案里需要在换能器上串连一个电感以抵消换能器串连等效模型中的容抗电感等效电阻将串连在换能器上这个方案的缺点是需要增加另外一个电感因为总串连电阻还是比半导体电源的输出电阻大的多而且负载电流需要流过电感等效电阻使损耗增加效率降低7具体设计例子假设有一个换能器需要工作在最佳接收状态工作频率是196.0KHz并且串连等效Rs和Xs已经测量得到151j239 C3398pF由于谐振时Xc XL 电感的感抗为334.4欧姆计算这个情况下的Q值计算出来的Q值太低所以必须添加电容让我们将带负载下的Q值设为6来计算现在C的数值是所以要添加的电容是C9204-24286776pF为了与晶体管电源匹配经过计算初级线圈阻抗为3.6欧姆匝数比为这个值过小以至于可能需要用到带棒状磁芯的可调线圈如果一个71.6微亨的线圈需要55匝那么初级线圈将需要4.5匝初级线圈应该尽可能紧密地缠绕在次级线圈上以得到最大的耦合系数Use the start of the secondary coil as the high impedance end.8传入换能器的功率如果已知换能器的并联等效电阻则功率可以用下面的等式直接计算E is RMS voltsR is the parallel resistance of t当然了可以通过用示波器观测电压峰峰值的方法测量负载上的电压如果传输信号是正弦波必须除以2.83转换为RMS电压如果在计算里没有用到并联等效电阻那么可能会用到串连等效电阻但是这样做会有一点棘手9 在接收模式下的调谐匹配系统需要考虑的问题一旦发射电路的调谐匹配工作完成还需要针对接收电路考虑些什么问题呢如果接收部分电路的输入阻抗很高并且有很大的裕量那么就可以直接通过发射调谐匹配电路取得信号如果接收电路输入阻抗裕量不够大甚至过小那么就必须采用另外的方法才能充分发挥出换能器应有的性能来同样需要采取一些措施来防止发射电压对接收电路造成破坏如果变压器的耦合系数较大那么一个较小的Q 值是比较适合的逐步减小添加的电容的容量并增加次级的电感量以维持谐振保持初级电感量不变在极端情况下甚至不用外加电容光靠换能器自身的固有电容就可以实现谐振这样将需要更高的匝数比并且在耦合系数高的情况下还能增加输出电压需要注意的是当Q值小于或等于7时等式X L =X C 将不再成立在这样的条件下只有当有关于低Q值调谐匹配方面的应用笔记出现后才能细心地一步步地根据经验将系统调试成功10 平衡与不平衡驱动换能器的方法是由回波探测器设计师们发明的不平衡系统往往使得电信号测量更简单和容易一个不平衡的配置需要一个容量更高的电容并联在换能器上平衡系统通常需要在输出变压器上增加第三个绕组以馈送不平衡信号给接收器当屏蔽层的泄漏都相同时平衡传输线的噪声要比不平衡传输线小Airmar 通常用带屏蔽层的双绞线连接压电陶瓷元件换能器的连接根据需要可以选用平衡传输线或者不平衡传输线11注这是为了方便自己计算有选择翻译的意译很不严谨读者最好自己看原文^_^原文出处Airmar 公司原文标题Ultrasonic Air-Ranging Transducers and Application Notes 购买探头的时候带的。

压电陶瓷输入阻抗电流反谐振点

压电陶瓷输入阻抗电流反谐振点说起来这个压电陶瓷啊，它可真是个有意思的东西，你要是搞电子或者材料的，那指定得跟它打不少交道。

我呢，虽然不算专家，但也算是摸过、看过、琢磨过不少回了。

今儿咱们就聊聊这压电陶瓷的输入阻抗、电流，还有那个挺让人头疼的反谐振点。

先说说压电陶瓷吧，这玩意儿长得就像个小方块，或者有时候也能见到圆的、长的，反正形状各异，但里头那结构可都是一样的讲究。

你拿手轻轻一碰，嘿，它就能给你变个电压出来，神奇得很。

为啥呢？还不是因为它里头那些个小晶体，受到压力就“激动”，一激动就发电，跟咱们有时候一激动就话多似的，只不过它是变电多。

再来说说输入阻抗，这是个啥玩意儿呢？简单来说，就是你给压电陶瓷送电的时候，它那头儿跟你送电的设备之间，就像隔了个门槛，这个门槛的高低，就是输入阻抗的大小。

高了低了都不行，高了，电送不进去，低了，电跑得太快，你控制不住。

这就像你请客吃饭，人多了桌子不够大（阻抗低），菜放不下；人少了桌子太大（阻抗高），又显得冷清。

所以说，得找个合适的阻抗，才能让压电陶瓷乖乖听话。

电流嘛，那就是通过压电陶瓷的电量大小了。

这电流啊，有时候跟个小孩子似的，你得哄着它，不能太大也不能太小。

太大了，它受不了，容易“发脾气”，也就是产生热效应，烧了自己；太小了，它又不动弹，跟个懒汉似的。

所以说，你得拿捏好这个度，让它既有力气干活，又不至于累垮。

最后说说那个反谐振点，这可是个让人头疼的家伙。

啥叫反谐振点呢？就是当你给压电陶瓷施加一个特定频率的电压时，它不但不帮你发电，反而还跟你“唱反调”，把电给“弹”回来了。

你说这事儿气不气人？就像是你好心好意给朋友送了个礼物，结果他不但不收，还给你扔回来了。

这反谐振点，就像是压电陶瓷的“叛逆期”，你得小心翼翼地绕过去，别惹它不高兴。

有一次，我在实验室里跟这玩意儿较上了劲儿。

我左调右调，就是找不到那个合适的频率，让它别“叛逆”。

结果，我旁边那小伙子，嘿嘿，他倒是挺机灵，一眼就看出了问题所在。

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