GB 3389.5-1982 压电陶瓷材料性能测试方法 圆片厚度伸缩振动模式.pdf

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1、中华人民共和国国家标准压电陶瓷材料性能测试方法圆片厚度伸缩振动模式Test methods for the properties of piezoelectric ceramics一Thickness extension vibration mode for disk 主题内容与适用范围本标准规定了压电陶资圆片厚度伸缩振动模式材料性能测试方法。GB/ T 33 H 9. 5 -1995 代替GB3389. 5- 82 本标准适用于机械品质因数Qm大于50的压电陶瓷圆片厚度伸缩振动模式材料性能的测试。2 51用标准GB 2413 压电陶资材料体积密度测量方法GB 2414 压电陶器材料性能测试方

2、法圆片的径向伸缩振动、长条的横向长度伸缩振动GB 3389. 1 压电陶瓷材料性能测试方法常用名词术语GB 11320 低机械品质因数压电陶资材料性能的测试3 术语、符号、代号本标准所采用的术语、符号、代号符合GB3389.1的规定。4 测试方法4. 1 方法原理在电学短路条件下，全电极压电陶程圆片厚度伸缩振动模的频率方程为ztgx = X/k 式中:k，一一厚度伸缩振动机电藕合系数;X一一归一化频率。式中:一一角频率(=2f),rad/s; t-一振子厚度，m;u?一一厚向声速，m/s;x 旦二!._ f.i 一一-v - 2 - fp f.i一一基频或泛音频率(i=1.3.5.7).Hz;

3、fp一基波并联谐振频率.Hz。( 1 ) ( 2 ) 解超越方程式(1).可得到一系列根，每个根相应于-个谐振频率，通过泛音比f.i/f.1可以确定振子的厚度伸缩振动机电搞合系数h及其它相关参数。泛音比f.;/fl与搞合系数是t的对应关系见表1。泛音频率与基波并联谐振频率之比人/fp与桐合系数k，的对应关系见表2。国家技术监督局1995-07-24批准1996-04-01实施540 GB/T 3389.5-1995 本标准采用传输线-泛音比法测试压电陶瓷圆片振子厚度伸缩振动模式的材料性能，即用动态传输网络测量振子的最大传输频率fmTt在一级近似下fmT=fm=儿，其中.fm为最大导纳最小阻抗频

4、率，f.为串联谐振频率。亦可通过电导曲线法(见附录A)确定最大电导频率，更精确地确定人。测量基频和泛音频率后，计算泛音比人/l由表1确定机电桐合系数瓦，并计算压电陶资圆片厚度伸缩振动其它材料参数。实际测量的谐振频率的符号，本标准统一用人表示。4.2 测试条件4.2.1 正常大气条件温度相对湿度气压25 .,. 350C 48%80% 86106 kPa 4.2.2 仲裁试验的标准大气条件温度相对湿度气压25土1oC 48%52% 86106 kPa 4.3 试样及其制备4.3.1 试样尺寸及要求试样为薄圆片，两主平面不平行度不大于厚度公差的一半，在两主平面上全部被覆金属层作为电极，沿厚度方向进

5、行极化处理。试样直径d与厚度t之比应满足单独厚度振动模式的要求，根据不同资料，选择一定的试样尺寸比。通用资料的试样尺寸，直径d和厚度t之比d/t为612o4.3.2 测试前试样的准备试样应保持清洁干燥，根据不同瓷料要求，极化后存放一定时间，并在4.2条规定的环境下放置2h后进行测试。4.3.3 试样两端测试电场E的要求测电容:E二5V/mm; 测试频率及动态电阻:E30mV/mm。4. 4 测试程序4.4.1 谐振频率人和动态电阻凡的测试4.4.1.1 测试线路(一)测试线路(一为恒压源传输测试线路，如图1所示。斗言号发生器$口-试样，一数字频率计，一高频电压衰，R.一分压电阻，.RTI一分压

6、电阻，Rn一终端电阻，CTI , CT2一分布电容图l恒压源传输测试线路541 GB/T 3389. 5 - , 995 图中分压电阻R;的阻值与信号发生器的输出阻抗相匹配。一般取Rn=RT2终端电阻RT2的取值应与试样的动态电阻R)相应，参考值为5.1.(10 A-B间的分布电容CAB远低于试样的自由电容CT;分布电容Cn、CT2的电抗，应满足:1/(CT1)Rn，1/( CT2)RT2。4.4. 1. 2 测试线路(二)测试线路(二)为恒流源传输测试线路，如图2所示。图中匹配电阻RT3阻值与信号发生器的输出阻抗相匹配，限流电阻Rn的取值应远大于试样的动态电阻Rl参考值为1kO o A-B间

7、的分布电容CAB远低于试样的自由电容CT0 厂-一-;:-lA B .i. 。有号发生器，-后频率计，一高频电压表$4日一试样;RTl一匹配电阻;RT一限I流电阻图2恒流源传输测试线路4.4. .3 测试设备及要求信号发生器:频率短期稳定度高于待测频率的准确度，输出的波形为正弦波。谐波失真抑制大于30 dB。频率计:测试误差小于士1Hz，输入阻抗远大于信号发生器输出阻抗，且不影响信号发生器输出电平。电压表:输入阻抗大于1MO，输入电容不大于40pF，频率范围高于待测频率，灵敏度高。屏蔽盒与试样支架:屏蔽盒与各仪表连接用短屏蔽线，屏蔽盒应妥善接地，接插件采用通用高频插头。试样支架夹持力要小，并保

8、证夹具与试样电极面接触良好，接触点的直径为10.31. 0 mm，夹持点要求夹在试样电极面上接近圆边处，如120X2mm推荐试样夹持点距圆边2mm左右。支架应绝缘良好。4.4. .4 基频1.1的测量被测试样置于试样支架，接入测试线路(一)(或测试线路(二门，调整信号发生器输出电压，保持试样两电极间的测试电场符合4.3.3条规定，在相应于试样厚度振动基波附近频段内，调节信号发生器频率，使终端电压表指示最大测试线路(二)终端电压表指标值最小。此响应最大的频率即为试样厚度伸缩振动基频儿。4.4. 1. 5 泛音频率1.3IS5 1.7的测量测量基频1.1后，在4.3.3条规定的测试电场范围内，分别

9、在相应于试样厚度振动三、五、七次谐波附近频段内，继续调节信号发生器频率，使测试线路(一)终端电压表指示值最大(测试线路(二)终端电压表指示值最小)，依次得到试样厚度伸缩振动模三、五、七次泛音串联谐振频率1.3，1.5，17。4.4.1.6动态电阻凡的测量542 GB/T 3389. 5 -1 995 在4.4，.1.4条用测试线路(一)测量试样厚度振动基频fSl时，由电压表读出在基频fSl频率下输入电压矶和终端输出电压VR，按公式(3)计算基频f.l的谐振阻扰，在一级近似下，此即为试样动态电阻R1o 式中:R1一一动态电阻，队V;一一测试线路(一输入电压，V;R , =.!:!二VR一-1 一

10、一-TT一- n.T2 Y R VR一一测试线路(一)终端输出电压，V;Rn 测试线路(一)终端电阻，0。4.4.2 自由电容CT的测量 ( 3 ) 用测量误差不大于士1%的电容电桥，在1kHz频率和4.3.3条规定的测试电场条件下，测量试样自由电容CT0 4.4.3 试样尺寸的测量用精度为0.01mm的量具测量试样直径d，厚度t。4.5 测试结果的计算和评定4.5.1 厚度伸缩振动机电捐合系数k，由4.4.1.4条测得试样基频儿，4.4.1.5条测得试样泛音频率王二、5、7后，分别计算泛音与基频之比f.3/f.1、5/f.17/f.1由表1查得相应的藕合系数。一般情况下，一个泛音比即可得到锢

11、合系数丸，测量和计算同一试样的三个泛音比分别得到三个k，值，取其平均值，可提高和保证测量与计算结果的精度。4.5.2 试样基波并联谐振频率凡的计算由4.4.1.4条测得试样基频儿，4.4. 1. 5条测得试样泛音频率f.3、1.白、九7后，根据4.5.1条得到的捐合系数k，值，查表2得到相应的f町/fp值。由试样基频和泛音频率1、九3、5、fS7与其相对应的f.jfp值，分别计算得到四个开联谐振频率值，取其平均值，此即为试样基波并联谐振频率fpo4.5.3 厚度伸缩振动频率常数N，由4.4.3条测得试样厚度t，4.5.2条计算得到试样并联谐振频率fp后，按公式(4)计算频率常数N ,: N ,

12、 = fp t 式中:N，一一厚度伸缩振动频率常数，Hz.m; fp一一基波并联谐振频率，Hz;t一-1式样厚度，m。4.5.4 厚向声速VP( 4 ) 由4.5.2条得试样基波并联谐振频率儿，4.4.3条测得试样厚度t后，按公式(5)计算厚向声速V:式中:V一一厚向声速，m/s;fp一一基波并联谐振频率，Hz;t一一试样厚度，m。4.5.5 厚度伸缩振动机械品质因数QmV ,D = 2fp t . ( 5 ) 由4.4.1. 4条测得试样基频14.4.1.6条测得试样基频动态电阻凡，4.4.2条测得试样自由电容CT，4.5;2条得到试样并联谐振频率fp后，按公式(6)计算机械品质因数Qm;Q

13、-fl m一2f.1 CT R1 (ff, - .fll) . ( 6 ) 式中:Qm一一厚度伸缩振动机械品质因数;543 GB/T 3389. 5 -1 995 1一一厚度伸缩振动基频，Hz;fp一一厚度伸缩振动基波并联谐振频率，Hz;RI一一动态电阻，0;CT一一自由电容，F。4.5.6 自由相对介电常数4由4.4.2条测得试样自由电容CT，4.4.3条测得试样直径d，厚度t后，按公式(7)计算相对介电常数50T一旦二LH一d2 EO 式中:Ea一一自由相对介电常数(Ea=e;3/eO); CT一一试样自由电容，F;t一一试样厚度，m;d一-1式样直径，m;。一一-真空介电常数，0=8.8

14、5X 10一12F/m。4.5.7 受夹相对介电常数比.( 7 ) 按GB2414规定的方法测得试样平面机电藕合系数kp，4.5. 1条测得搞合系数丸，4.5.6条测得自由相对介电常数E3，按公式(8)计算受夹相对介电常数e:3: 3 = (1 -k) (1 -:- k;) E3. . . . . . ( 8 ) 式中:e:3一一受夹相对介电常数:3=3/。); 也一一厚度伸缩振动机电桐合系数pEL-自由相对介电常数zkp一一平面机电桐合系数。4.5.8 开路弹性刚度常数C3按GB2413规定方法测得试样体积密度p，由4.4.3条测得试样厚度t，4.5. 2条得到并联谐振频率fp后，按公式(9

15、)计算刚度常数C3:C3 = 4. (fp.t)2 式中:C3一一开路弹性刚度常数，N/m2;p一一试样体积密度，kg/m3;fp一一基波并联谐振频率，Hz;t一一试样厚度，mq4.5.9 短路弹性刚度常数C3( 9 ) 由本标准4.5.8条测得开路弹性刚度常数C3，4.5.1条测得机电藕合系数也，由4.5.7条测得受夹相对介电常数比后，按公式(10)计算短路弹性刚度常数C3:式中:C3一一短路弹性刚度常数，N/m2;C3一一开路弹性刚度常数，N/m2;C3 = C3(1 - k;) 儿一一厚度伸缩振动机电桐合系数。4.5.10 压电应力常数e33. ( 10 ) 由4.5.1条得藕合系数丸，

16、4.5.7条得受夹相对介电常数比，4.5.8条得开路弹性刚度常数C3后，按公式(11)计算压电应力常数e33: 544 ht eoo = J号3 C旦乌.( 11 ) GB/T 3389. 5 -1 995 式中:e33一一压电应力常数，N/V.m或C/m2;k，-厚度伸缩振动机电藕合系数;马一一受夹相对介电常数Fc旦一一开路弹性刚度常数，N/m2;。一一真空介电常数，。=8.85X 10-12 F /m。表11.;/11与k，的关系表k, 1.31/.1 512 I.d儿1h飞0.000 3.0000 5.0000 7.000 0 0.028 0.001 3.0000 5.0000 7.00

17、00 0.029 0.002 3.0000 5.000 0 7.0000 0.030 0.003 3.0000 5.0000 7.0000 0. .031 0.004 3.0000 5.0000 7.000 0 0.032 0.005 3.0000 5.0000 7.000 0 0.033 0.006 3.0000 5.0000 7.000 1 0.034 0.007 3.0000 5.0000 7.0001 0.035 0.008 3.0000 5.0001 7.000 1 0.036 0.009 3.0000 5.000 1 7.0002 0.037 0.010 3.0001 5.0001

18、 7.0002 0.038 0.011 S: 000 1 5.0002 7.0003 0.039 0.012 3.0001 5.0002 7.0004 0.040 0.013 3.000 1 5.0003 7.0004 0.041 0.014 3.0002 5.0003 7.0005 0.042 0.015 3.000 2 5.0004 7.0006 0.043 0.016 3.0002 5.0004 7.0007 0.044 0.017 3.0003 5.0005 7.0008 0.045 0.018 3.0003 5.0006 7.0009 0.046 0.019 3.0003 5.000

19、7 7.001 0 0.047 0.020 3.0004 5.0007 7.001 1 0.048 0.021 3.0004 5.000 8 7.001 2 0.049 0.022 3.0005 5.0009 7.001 3 0.050 0.023 3.0005 5.001 0 7.001 4 0.051 0.024 3.0006 5.001 1 7.001 6 0.052 0.025 3.0006 5.001 2 7.001 7 0.053 0.026 3.0007 5.001 3 7.001 8 0.054 0.027 3.0007 5.001 4 7.002 0 0.055 f咀If，也

20、f.5 1f1 1.71f, 3.0008 5.001 5 7.002 1 3.0009 5.001 6 7.002 3 3.0009 5.001 7 7.002 5 3.001 0 5.001 8 7.002 6 3.001 1 5.001 9 7.0028 3.001 1 5.002 1 7.003 0 3.001 2 5.0022 7.003 2 3.001 3 5.0023 7.0034 3.001 4 5.0025 7.003 6 3.001 4 5.0026 7.003 8 3.001 5 5.0028 7.004 0 3.001 6 5.0029 7.0042 3.001 7 5

21、.0031 7.0044 . 3.001 8 5.0032 7.004 6 3.001 9 5.0034 7.004 9 3.002 0 5.0036 7.005 1 3.002 0 5.0037 7.005 3 3.002 1 5.0039 7.005 6 3.002 2 5.0041 7.005 8 3.002 3 5.0043 7.006 1 3.0024 5.0044 7.0064 3.002 6 5.0046 7.006 6 3.002 7 5.0048 7.006 9 3.002 8 5.0050 7.007 2 3.002 9 5.0052 7.007 5 3.0030 5.00

22、54 7.007 8 3.003 1 5.0056 7.008 1 3.003 2 5.0058 7.008 4 545 k哩13/.1 0.056 3.003 3 0.057 3.0035 .Q.058 3.0036 0.059 3.0037 0.060 3.0039 0.061 3.0040 0.062 3.004 1 0.063 3.0043 0.064 3.0044 0.065 3.0045 0.066 3.0047 0.067 3.0048 0.068 3.0050 0.069 3.005 1 0.070 3.0053 0.071 3.005 4 0.072 3.0056 0.073

23、 3.005 7 0.074 3.0059 0.075 3.006 1 0.076 3.0062 0.077 3.0064 0.078 3.0066 0.079 3.0067 0.080 3.006 9 0.081 3.007 1 0.082 3.007 3 0.083 3.0074 546 J气5/15.006 1 5.006 3 5.006 5 5.006 7 5.0070 5.007 2 5.0075 5.0077 5.007 9 5.0082 5.0085 5. 0087 5.009 0 5.0092 5.0095 5.0098 5.010 1 5.0104 5.010 7 5. 01

24、0 9 5.011 2 5.011 5 5.011 8 5.012 2 5.0125 5.0128 5.013 1 5. 013 4 G/ T 3389.5-1995 ，续表1f咀/f，咀k、7.008 7 0.084 7.009 0 0.085 7.0093 0.086 7.009 7 0.087 7.010 0 0.088 7.010 3 0.089 7.0107 0.090 7.011 0 0.091 7.011 4 0.092 7.011 7 0.093 7. 0121 0.094 7.012 5 0.095 7.012 8 0.096 7.013 2 0.097 7.013 6 0.

25、098 7.014 0 0.099 7.014 4 0.100 7.014 8 0.101 7.015 2 0.102 7.015 7 O. 103 7.016 1 O. 104 7.016 5 0.105 7.016 9 0.106 7.0174 0.107 7.0178 O. 108 7.018 3 0.109 7.018 7 0.110 7.0192 0.111 1.，1t.且15/,1 八，/113.0076 5.0138 7.019 7 3.007 8 5.014 1 7.020 1 3.0080 5. 014 4 7.0206 3.008 2 5.0148 7. 021 1 3.0

26、084 5.015 1 7.021 6 3.008 6 5.015 5 7.022 1 3.0088 5.015 8 7.0226 3.0090 5.016 2 7.023 1 3.0092 5.016 5 7.0236 3.0094 5.016 9 7.024 2 3.0096 5.017 3 7.0247 3.009 8 5.017 6 7.025 2 3.010 0 5.0180 7.025 8 3.0102 5.018 4 7.026 3 3.0104 5.018 8 7.026 9 3.010 6 5.019 2 T. 0274 3.010 9 5.019 6 7.0280 3.01

27、11 5.0200 7.0285 3.011 3 5.0204 7.029 1 3.011 5 5.0208 7.029 7 3.011 7 5.021 2 7.0303 3.012 0 5.021 6 7.0309 3.012 2 5.0220 7.031 5 3.0124 5.022 4 7.032 1 3.012 7 5.0229 7.032 7 3.0129 5.023 3 7.033 3 3.013 2 5.0237 7.033 9 3. 013 4 5. 024 2 7.034 5 GB/T 3389.5-1995 续表1k, /3/ /.,1/ /.,1/1 k, /3/. f.

28、51 J.咀f的1I咀0.112 3.013 7 5.0246 7.03.1 2 0.140 3. 021 5 5.0387 7.055 :3 0.113 3.013 9 5.025 1 7.035 8 0.141 3.021 8 5.039 3 7.056 1 0.114 3.014 2 5.025 5 7.036 5 O. 142 3.022 1 5.039 8 7.056 9 O. 115 3.014 4 5.026 0 7.037 1 0.143 3.0224 5.0404 7.057 7 0.116 3.014 7 5.0264 7.037 8 0.144 3.0228 5.041

29、0 7.058 6 。.1173.014 9 5.0269 7.0384 0.145 3.023 1 5.041 6 7.059 4 0.118 3.015 2 5.0274 7.039 1 0.146 3.0234 5.042 2 7.0602 0.119 3.015 4 5.0278 7.039 8 0.147 3.023 7 5.042 8 7.061 1 O. 120 3.015 7 5.0283 7.040 4 O. 148 3.0241 5.043 3 7.061 9 0.121 3.016 0 5.0288 7.041 1 0.149 3.0244 5.043 9 7.0628

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31、 127 3.017 6 5. 031 8 7.045 4 0.155 3.0265 5.047 6 7.068 1 O. 128 3.017 9 5.032 3 7.046 1 0.156 3.0268 5.0483 7.069 0 0.129 3.018 2 5.0328 7.046 8 0.157 3.027 2 5.048 9 7.069 9 0.130 3.018 5 5.0333 7.047 6 0.158 3.0275 5.0495 7.070 8 0.131 3.018 8 5.0338 7.048 3 0.159 3.027 9 5.0502 7.071 7 O. 132 3

32、.019 1 5.0343 7.049 1 0.160 3.0282 5.0508 7.072 6 O. 1:;3 3.019 4 5.034 9 7.049 8 0.161 3.028 6 5.051 5 7.0736 O. 134 3.019 7 5.035 4 7.050 6 0.162 3.0290 5.052 1 7.074 5 0.135 3.0200 5.035 9 7.051 4 0.163 3.029 3 5.0528 7.075 4 O. 136 3.0203 5.036 5 7.052 1 0.164 3.029 7 5.053 5 7.0764 O. 137 3.020

33、6 5.037 0 7.052 9 0.165 3.0301 5.054 1 7.077 3 O. 138 3.0209 5.037 6 7.053 7 0.166 3.0305 5.0548 7.078 3 0.139 3.021 2 5.038 1 7.054 5 0.167 3.0308 5.055 5 7.079 3 547 晶宫/儿21.，飞fl.0.168 3.031 2 5.0562 0.169 3.031 6 5.0569 0.170 3.0320 5.0575 0.171 3.0324 5.058 2 0.172 3.0328 5.0589 0.173 3.0331 5.05

34、97 0.174 3.0335 5.0604 0.175 3.0339 5. 061 1 0.176 3.034 3 5.061 8 0.177 3.034 7 5.0625 0.178 3.035 1 5.0632 0.179 3.0356 5.0640 0.180 3.0360 5.0647 0.181 3.0364 5.065 5 O. 182 3.0368 5.0662 0.183 3.0372 5.0670 O. 184 3.0376 5.067 7 0.185 3.0381 5.0685 O. 186 3.0385 5.0692 0.187 3.0389 5.0700 0.188

35、3.0393 5.0708 O. 189 3.0398 5.071 6 0.190 3.0402 5.0723 0.191 3.0406 5. 073 1 飞0.192 3.041 1 5.073 9 0.193 3.041 5 5.0747 0.194 3.0420 5.0755 0.195 3.0424 5.0763 548 GB/T 3389.5一1995续表1dl.l kt 7.0802 0.196 7.081 2 O. 197 7.082 2 O. 198 7.0832 O. 199 7.084 2 0.200 7.0852 0.201 7.0862 0.202 7.087 3 0.

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37、鲁3.0429 5.077 1 7.1102 3.0433 5.0780 7.111 3 3.0438 5.0788 7.112 5 3.0443 5.0796 7.1137 3.044 7 5.0804 7.1149 3.045 2 5.081 3 7.116 1 3.045 6 5.082 1 7.117 3 3. 046 1 5.082 9 7.118 5 3.0466 5.0838 7.1197 3.047 1 5.0846 7.120 9 3.0475 5.0855 7.122 1 3.0480 5.0864 7.123 4 3.0485 5.087 2 7.124 6 3.049

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47、 8 550 GB/T 3389. 5 -1995 续表1/ .,/ 1 k, 7.232 8 O. 308 7.234 6 0.309 7.236 4 0.310 7.238 2 0.311 7.2400 0.312 7. 241 8 0.313 7.243 6 0.314 7.245 5 O. 315 7.247 3 0.316 7.249 1 0.317 7.2510 0.318 7.252 9 0.319 7.254 7 0.320 7.256 6 0.321 7.258 5 0.322 7.260 4 0.323 7.262 3 0.324 7.264 2 0.325 7.266 2

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