[發明專利]一種圓盤壓電振子強場機械品質因數的測試方法

在審

• 申請號: 202310026313.3
• 申請日: 2023-01-09
• 公開（公告）號: CN115932424A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 陳趙江;宋李江;曹文武
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: G01R29/22
• 分類號: G01R29/22;G01R27/02;G01N25/20;G01H9/00
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 高艷輝

本發明公開了一種圓盤壓電振子強場機械品質因數的測試方法，涉及壓電材料性能測試技術領域，建立圓盤壓電振子在共振狀態下發熱而產生的溫升的綜合傳熱模型；建立壓電圓盤振子發熱參數、振動速度以及機械品質因數之間的關系；獲取圓盤壓電振子強場共振頻率；測量圓盤壓電振子的平均對流換熱系數；測量圓盤壓電振子的溫度分布以及振動速度；分析數據得出相應的機械品質因數；通過測量圓盤壓電振子在共振時的溫度分布情況以及振動情況來表征其機械品質因數，一方面更能反映圓盤壓電振子在實際情景中的損耗變化，另一方面從產熱角度分析損耗，可以克服使用高振幅輸入掃頻的局限性。

技術領域

本發明涉及壓電材料性能測試技術領域，具體涉及一種圓盤壓電振子強場機械品質因數的測試方法。

背景技術

近年來，功率超聲在能源領域、醫療領域、環保領域以及航天領域被廣泛的應用，而壓電材料作為功率超聲的核心器件，也成為了當前的熱門材料。

目前國內外對壓電材料性能參數的研究大多處在弱場條件下，這與大功率壓電器件的應用環境不相符合，因為壓電材料在強場條件下工作時會出現明顯的非線性效應，如共振漂移，諧波畸變和跳躍，勢必會導致壓電材料的發熱，振幅飽和以及性能下降，壓電材料的強場非線性效應導致壓電材料強場和弱場性能參數存在很大的差別，在這種情況下，壓電材料的性能參數難以確定，那么對器件的設計以及器件的性能參數的確定會變得比較困難；因此，壓電材料在強場條件下性能參數的研究就顯得尤為重要。

機械品質因數^Q_m作為壓電材料性能的重要參數之一，它主要反映壓電材料在諧振時克服摩擦而消耗的能量，在很大程度上體現了壓電材料的機電轉換性能的優劣；目前，機械品質因數的測量可通過阻抗法和半功率點法(3db)，但其局限于弱場激勵條件。

如上所述，在強場條件下的壓電材料的性能會出現與外場相關的非線性的行為，若激勵電場較大，傳統方法無法測量得到準確的機械品質因數，特別需要指出的是，具有徑向振動模式的圓盤壓電振子在功率超聲領域應用廣泛，但關于圓盤壓電振子的強場^Q_m的表征研究尚屬空白，圓盤壓電振子在強場^Q_m參數的表征方法及其功率特性值得進一步的研究。為此提出一種圓盤壓電振子強場機械品質因數的測試方法以解決以上問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種圓盤壓電振子強場機械品質因數的測試方法，解決現有技術中存在的問題。

為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：

一種圓盤壓電振子強場機械品質因數的測試方法，包括以下步驟：

將圓盤壓電振子樣品沿半徑方向均分成多個微元，根據微元處的熱流情況建立圓盤壓電振子在共振狀態下發熱而產生的溫升的綜合傳熱模型；

依據綜合傳熱模型，建立發熱參數、振動速度和機械品質因數的關系式；

采用阻抗分析儀測量圓盤壓電振子樣品的阻抗曲線，獲得弱場下的共振頻率，再利用電流探針微調弱場下的共振頻率獲得強場共振頻率；

對圓盤壓電振子樣品施加強場共振頻率的正弦交流電壓信號進行激勵，采集得到圓盤壓電振子樣品穩態時的溫度分布情況，再通過停止激勵圓盤壓電振子樣品，得到該樣品從穩態溫度降到室溫的溫度變化曲線，對溫度變化曲線進行瞬態分析，得到圓盤壓電振子樣品的對流換熱系數；

將對流換熱系數代入綜合傳熱模型中，與圓盤壓電振子樣品穩態時的溫度分布進行擬合得到發熱參數；

使用激光測振儀對被施加電壓信號后達到穩態溫度的圓盤壓電振子樣品進行測量，獲得圓盤壓電振子樣品在溫度達到穩態時的邊界振動速度；

將獲得的發熱參數和邊界振動速度代入關系式中，得到相應條件下的機械品質因數。