实验二：压电材料的压电常数d33测试.doc

《实验二：压电材料的压电常数d33测试.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、物理专业实验报告专业应用物理班级1姓名学号实验名称压电材料的压电常数d33测试实验地点实验日期【实验目的】（1）掌握准静态d33测试仪的使用方法以及测量压电常数d33。（2）熟悉压电材料压电效应的基本原理【实验仪器】YE2730A准静态压电常数d33测试仪；PZT压电陶瓷样品；PMN压电陶瓷样品【实验原理】压电材料(piezoelectricmaterial)，受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年,法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现,把重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电

2、荷,电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。1、压电效应某些物质，当沿着一定方向施加压力或拉力时，会发生形变，其内部就产生极化现象，同时，其外表面上产生极性相反的电荷；当外力拆掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力方向反向时，电荷极性也相反；电荷量与外力大小成正比。这种现象叫正压电效应。如图1所示。图1（正）压电效应反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。压电效应的可逆性如图62所示。利用这一特性可实现机—电能量的

3、相互转换。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

4、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

5、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（1）其中是压电陶瓷的压电系数，为作用力。压电陶瓷在极化方向上的压电效应最明显。我们把极化方向叫轴，垂直于轴平面上的任何直线都可作为轴

6、（或轴）。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，但剩余极化强度和特性受温度影响较大。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成。它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较低，最高只有70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT系列），它是钛酸钡（）和锆酸铅（）组成的。它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅（）、锆酸铅和钛酸

7、铅按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷，它具有较高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。3、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

8、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