压电参数的测量方法
压电陶瓷材料的压电参数的测量方法甚多，有电测法，声测法，力测法和光测法等，这些方法中以电测法的应用最为普遍。在利用电测法进行测试时，由于压力体对力学状态极为敏感，因此，按照被测样品所处的力学状态，又可划分为动态法，静态法和准静态法等。 （1）静态法 静态法是被测样品处于不发生交变形变的测试方法，主要用于测试压电常数，测试样品上加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。按照式（1-15）可得： d33=d33t3 (1-38) 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1-6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。 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) [img,101,30]file:///c:/users/leo/appdata/local/temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.jpg[/img] （1-41） 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1-7给了一种简单的测量线路。 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1-8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，一般选择rt小于振子的等效电阻r1，对于pzt系压电陶瓷来说，rt的数值约为几十欧。由于形状大小不同的压电陶瓷振子的最小阻抗也不相同，所以测量时应对rt值作必要的调整。其次，在反谐振频率时，振子的阻抗达到最大值，为了提高测量反谐振频率的精确度，应适当选择较大的rt值。 与rt′相似，rt′也能起到隔离毫伏计的输入电抗对振子的影响，所以也能提高测量fm和fn的精确度。 为了避免线路中杂散电容和外界感应所带来的测量误差，对测量线路做必要的屏蔽。一般是将线路房于金属盒内。 夹持振子支架也影响测量结果。对夹持振子的支架除要求能稳固地支持住振子，保证夹子与振子有良好的电接触外，还要使振子处于能自由振动状态。所以夹子与振子的接触面要尽可能的小，并且夹在中心位置或振动节上，同时，希望支架具有尽量小的分布电容。 因为压电陶瓷是铁电体，只有输入信号电压较小时，才能得到比较正确的测量结果。如果输入信号电压较大，就会引起非线形效应。造成测量误差，因此，一般都在输入信号电压为1伏的情况下进行测量。 （3）等效电阻r1的测量方法 测量r1的常用方法 当信号频率等于振子的谐振频率时，等效电路中的l1c1串联分路阻抗等于电子ro。因此，还可以在测量线路中通过开关k1，用一个可变电阻箱来代替振子，并调节可变电阻箱，使毫伏表上的读数与振子谐振时的读书相同，这时电阻箱中的电阻即等于振子的等效电阻r1。 测量r1的精确方法 谐振时，等效电路中的总电流等于co分路电流和r1分路电流之和。如果co分路的阻抗大于r1，则通过co分路的电流就很小，因此，上述测量r1的方法的误差很小。如果co分路的阻抗小于r1，则应采用下述方法清楚co分路所造成的误差。 并联电容法-------既然振子的分路电容co与r1并联，那么可事先用电容点桥测出振子的分路电容co，然后用一电容等于co的电容器与电阻箱并联，如图1-8中虚线所示。通过开关k1，再调节电阻即等于振子的等效电阻r1。 并联电感法-------用一可变电感lo与振子并联，如图1-8中虚线所示，调节电感lo使之满足（2πfslo-1/2πfsco）=0。这时，通过co分路的电流恰好与通过电感lo的电流互相抵消。此时，毫伏表上的读数只反映通过等效电阻r1的电流的大小。然后按常用方法测量r1值。