实验二：压电材料的压电常数d33测试

F F F
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++-
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。

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，
2、测量样品的压电常数前，必须先对仪器进行校正。

取出校正规，将夹具夹住校正规。

需要注意的是：旋转钮的旋转程度，以旋转到无声震动为准；
3、旋转校正钮，直至显示屏为499为止；
4、完成校正后，取出校正规，换待测样品，测量压电材料的压电常数d33；同样，旋转钮的旋转程度以无声震动为准；
5、记录不同样品的压电常数数值。

【实验数据】
PbZr0.2Ti0.8O3陶瓷压电材料
电场强度8kv/mm 时间15分钟。