切变压电应变常数d15的准静态测试

发布时间: 2022-10-26 10:17

切变压电应变常数d15的准静态测试

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检测原理

准静态发的测试原理是依据正压电效应，当在压电振子某个方向j上施加一个频率远低于振子谐振频率的低频交变力Fj时，会再与某个方向i相垂直的电极面上产生同频率的交变电荷Qi。这样即可由公式dij=Qi/Fj得到相应的压电常数dij，这里，i=1,2,3，分别对应与x，y，z轴相垂直的电极面：j=1,2,3,4,5,6，其中，1至3分别对应x，y，z轴方向的作用力，在本标准中，5为与x轴相垂直的电极面上沿Z轴方向的面作用力。采用不同的施力方法和不同的拾取电荷的电极面，就可获得不同的压电应变常数，如d33，d31，d15。

切变压电应变常数d15的测试原理见图1。样品先在z方向极化，极化后去除两端面上的电极，再在与x轴相垂的两平面上制备电极。对于这样一个样品，在与x轴相垂直的，涂有电极的两平面上施加一对面切向力F5（应力T5）,由于有切向压电效应，即会在此电极面上产生电荷Q1，其比值就是切变压电应变常数d15，其值计算见公式（1）：

切向力的产生是基于如图2所示的物理模型，被测样品置于上下两金属压块的斜面处，当在两压块的上下两端面中心处施加纵向准静态低频交变力F时，则力F将被分解为平行于斜面的切向力F5=Fcosβ和垂直于斜面的纵向作用F1=Fsinβ作用于被测样品，为使被测样品在两斜面间不滑动，在其垂直于斜面方向要预先施加一预应力（用一装置把两压块在垂直于斜面方向紧固住。附录A中图A₁给出了装好被测样品的d₁₅专用夹具结构详图，图A.3给出了详细操作步骤），由于有切向压电效应，切向力F5将会再被测样品电极面上产生电荷Q₁，对于压电陶瓷类材料，其d11压电常数为零，所以分力F1及紧固预应力在两电极面上不产生电荷。这样，根据压电方程及应力分解，有

图3 切变压电应变常数d15的准静态法测试原理图

说明：

1——电磁驱动线圈；

2——比较样品上下电极；

3——比较样品；

4——绝缘体；

5——上下测试电极；

6——被测样品（切向极化）；

7——d15专用夹具下压块；

8——d15专用夹具上压块；

如果将一被测样品与一已知压电常数的比较样品（纵向压电振子，即d33模式）在力学上串联，通过一施力装置内的电磁驱动器产生低频交变力，并同时施加到上述两样品上（见图3），则被测样品所释放的电荷Q₁，在与其并联的电容C₁上建立电压U₁=d₁₅F₅/C₁，而比较样品所释放的压电电荷Q2在其并联电容C₂上建立起电压U₂=d₃₃F/C₂。由上述关系可得：

取C₁=C₂，且大雨100C^T（CT为样品自由电容）公式（4）和公式（5）合并可得：

其中比较样品的d₃₃已知，β角也是已知的（由图2中上下两金属压块斜面的角度决定，这里给出45°），因此即可计算得到被测样品的切变压电应变常数d₁₅。当在d₁₅模式测量时，这里的U₁,U₂,cosβ经电路处理后，在仪器上即可直接显示d₁₅值，而在d₃₁模式测量时，先把仪器上输入“尺寸因子”的拨码开关置为“0.71”（即cos45°的近似值），此时也直接显示d₁₅值；在d₃₃模式时，则显示值需再除以0.707（即cos45°的值）后得到d₁₅值。