专利名称：压电材料性能参数表征方法
压电材料性能参数表征方法
技术领域：
本发明涉及压电材料性能参数表征，尤其涉及一种压电材料性能参数表征方法。背景技术：
目前，广泛用于压电材料参数表征的方法为IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会)标准方法，该方法忽略了材料的损 耗特性，因此不适于估算高损耗压电材料参数也有提出的方法中考虑了材料的损耗特性， 但是精度欠佳，一般计算值高于实际测量值。并且，传统的方法受限于三个任意选取的初始 频率点，并且对迭代参数初始值的选取敏感。另有基于Gauss-Newton(高斯-牛顿)理论 的拟合方法，由于Gauss-Newton是一种局部迭代算法，对变量初始值的选取敏感，易陷入 局部极小值或迭代结果发散，只有在迭代初始值选取非常接近准确值的条件下，才能得到 较精确的结果，该算法对变量初始值选取的敏感性制约了对未知材料的参数表征。
发明内容基于此，有必要提供一种可应用于高损耗压电材料，且能提高参数表征精度的压 电材料性能参数表征方法。一种压电材料性能参数表征方法，包括以下步骤采集压电材料的物理参数；根据所述物理参数构建目标函数；测量压电材料的电子阻抗共振特性，并根据所述电子阻抗共振特性和材料本身的 损耗特性约束目标函数的可行域；根据目标函数确定性能参数；对所述性能参数进行判断；输出所述性能参数。在优选的实施方式中，所述测量压电材料的电子阻抗共振特性，并根据所述电子 阻抗共振特性和材料本身的损耗特性约束目标函数的可行域步骤包括以下步骤测量压电材料的电子阻抗特性，找出所述压电材料的谐振频率和反谐振频率；根据所述谐振频率和反谐振频率及材料本身的损耗特性约束目标函数的可行域。在优选的实施方式中，根据目标函数确定性能参数步骤包括如下步骤设置控制参数衰减函数、压电材料的性能参数及控制参数衰减函数衰减一次的最 大迭代次数的初始值；根据新解生成函数确定性能参数。在优选的实施方式中，所述控制参数衰减函数的表达式为T (k+1) = T (k) * α，其 中，k为函数的自变量、α为衰减参数。在优选的实施方式中，所述新解生成函数的表达式为x(n+l) = X(n)+S*r*X(n)，n 为函数的自变量，r为取自区间
的随机值，s决定解空间的邻域关系，X(n)为当前最 优解，x(n-l)为前一时刻的最优解。
在优选的实施方式中，所述对压电材料的性能参数进行判断步骤还包括如下步 骤对所述压电材料的性能参数进行Metropolis判断；对所述压电材料的性能参数进行局部平衡判断；对所述压电材料的性能参数进行全局平衡判断。在优选的实施方式中，所述Metropolis判断执行过程为当所述压电材料的性能参数使得所述目标函数减少时，WP = I的概率接受所述 压电材料的性能参数；当所述压电材料的性能参数使得所述目标函数增加时，以P = e-UF/T)的概率接受 所述压电材料的性能参数；当P > r时，接受所述压电材料的性能参数；当P < r时，拒绝接受所述压电材料的性能参数，重设所述压电材料的性能参数及 控制参数衰减函数的初值；其中，P为接受概率、e为自然数、AF为目标函数的变化量、T为控制参数衰减函 数、r为取自区间
的随机值。在优选的实施方式中，所述局部平衡判断执行过程为当η彡L时，达到局部平衡，控制参数衰减函数T (k)开始衰减；当η < L时，未达到局部平衡，继续进行本次T (k)的随机搜索；其中，η为控制参数衰减函数衰减一次的实际迭代次数、L为控制参数衰减函数衰 减一次的最大迭代次数。在优选的实施方式中，所述全局平衡判断执行过程为当所述目标函数的当前最优解x(n)与前一时刻的最优解x(n-l)的变化小于预定 的容差时，全局平衡，输出所述性能参数；当所述目标函数的当前最优解x(n)与前一时刻的最优解x(n-l)的变化大于或等 于预定的容差时，全局不平衡，重设控制参数衰减函数的初值。上述压电材料性能参数表征方法中，通过对压电材料的性能参数进行搜索，然后 对性能参数进行判断，避免了初始值选取对于高损耗压电材料参数表征结果的的影响，因 此可应用于包括具有高损耗特性的各种未知压电材料的参数表征，且具有很高参数表征精度。
图1为压电材料性能参数表征方法；图2 (a)为一实施例的厚度振动模式；图2 (b)为另一实施例的厚度振动模式；图3 (a)为一实施例的长度振动模式；图3 (b)为另一实施例的长度振动模式；图4为一实施例的长度-厚度振动模式；图5为一实施例的长度剪切振动模式；图6为一实施例的厚度剪切振动模式；
图7为一实施例的旋转厚度振动模式；图8为一实施例的测量压电材料的阻抗特性，并根据所述阻抗特性和材料本身的 损耗特性约束目标函数的范围具体流程图；图9为一实施例的根据目标函数确定性能参数具体流程图；图10为一实施例的对所述性能参数进行判断具体流程图。
具体实施方式如图1所示的压电材料性能参数表征方法，包括以下步骤步骤S110，采集压电材料的物理参数。物理参数是指振子厚度t，振子电极面面积 A或振子密度P，如下面的公式(4)所述。步骤S120，根据所述物理参数构建目标函数。可以通过计算机、ARM (Advanced RISC Machines)、DSP(Digital Signal Processor)或其他可以进行运算的模块构建目标 函数。当压电材料的物理参数被确定后，计算单元内部构建相应的目标函数。如图2(a)，当 wl彡10t,w2彡IOt时，wl表示压电材料的长度，w2表示压电材料的宽度，t表示压电材料 的高度，箭头表示极化方向，或如图2(b)，当w3 ^ 20t时，w3表示压电材料的直径，箭头表 示极化方向，可采用厚度振动模式，压电材料的等应变介电常数为<3、厚度机电耦合系数 为kt、开路弹性常数为Cf3。则复数形式的等应变介电常数为、厚度机电耦合系数为<、开 路弹性常数为cf/,则分别用式(1)、(2)和(3)来表示，虚部^表示等应变介电常数的损耗 特性，<表示厚度机电耦合系数的损耗特性，cf3'表示开路弹性常数的损耗特性。
权利要求
1.一种压电材料性能参数表征方法，包括以下步骤 采集压电材料的物理参数；根据所述物理参数构建目标函数；测量压电材料的电子阻抗共振特性，并根据所述电子阻抗共振特性和材料本身的损耗 特性约束目标函数的可行域； 根据目标函数确定性能参数； 对所述性能参数进行判断； 输出所述性能参数。
2.根据权利要求1所述的压电材料性能参数表征方法，其特征在于，所述测量压电材 料的电子阻抗共振特性，并根据所述电子阻抗共振特性和材料本身的损耗特性约束目标函 数的可行域步骤包括以下步骤测量压电材料的电子阻抗特性，找出所述压电材料的谐振频率和反谐振频率； 根据所述谐振频率和反谐振频率及材料本身的损耗特性约束目标函数的可行域。
3.根据权利要求1所述的压电材料性能参数表征方法，其特征在于，根据目标函数确 定性能参数步骤包括如下步骤设置控制参数衰减函数、压电材料的性能参数及控制参数衰减函数衰减一次的最大迭 代次数的初始值；根据新解生成函数确定性能参数。
4.根据权利要求3所述的压电材料性能参数表征方法，其特征在于，所述控制参数衰 减函数的表达式为T (k+1) =T(k)*a，其中，k为函数的自变量、α为衰减参数。
5.根据权利要求3所述的压电材料性能参数表征方法，其特征在于，所述新解生成函 数的表达式为x(n+l) =x(n)+s*r*x(n)，n为函数的自变量，r为取自区间W，1]的随机值， s决定解空间的邻域关系，X(n)为当前最优解，x(n-l)为前一时刻的最优解。
6.根据权利要求1所述的压电材料性能参数表征方法，其特征在于，所述对压电材料 的性能参数进行判断步骤还包括如下步骤对所述压电材料的性能参数进行Metropolis判断； 对所述压电材料的性能参数进行局部平衡判断； 对所述压电材料的性能参数进行全局平衡判断。
7.根据权利要求6所述的压电材料性能参数表征方法，其特征在于，所述Metropolis 判断执行过程为当所述压电材料的性能参数使得所述目标函数减少时，WP = I的概率接受所述压电 材料的性能参数；当所述压电材料的性能参数使得所述目标函数增加时，以P = e_UF/T)的概率接受所述 压电材料的性能参数；当P > r时，接受所述压电材料的性能参数；当P < r时，拒绝接受所述压电材料的性能参数，重设所述压电材料的性能参数及控制 参数衰减函数的初值；其中，P为接受概率、e为自然数、AF为目标函数的变化量、T为控制参数衰减函数、r 为取自区间
的随机值。
8.根据权利要求6所述的压电材料性能参数表征方法，其特征在于，所述局部平衡判 断执行过程为当η ≥ L时，达到局部平衡，控制参数衰减函数T (k)开始衰减； 当η < L时，未达到局部平衡，继续进行本次T (k)的随机搜索； 其中，η为控制参数衰减函数衰减一次的实际迭代次数、L为控制参数衰减函数衰减一 次的最大迭代次数。
9.根据权利要求6所述的压电材料性能参数表征方法，其特征在于，所述全局平衡判 断执行过程为当所述目标函数的当前最优解x(n)与前一时刻的最优解x(n-l)的变化小于预定的容 差时，全局平衡，输出所述性能参数；当所述目标函数的当前最优解x(n)与前一时刻的最优解x(n-l)的变化大于或等于预 定的容差时，全局不平衡，重设控制参数衰减函数的初值。
全文摘要
一种压电材料性能参数表征方法，包括以下步骤采集压电材料的物理参数；根据所述物理参数构建目标函数；测量压电材料的电子阻抗共振特性，并根据所述电子阻抗共振特性和材料本身的损耗特性约束目标函数的可行域；根据目标函数确定性能参数；对所述性能参数进行判断；输出所述性能参数。上述压电材料性能参数表征方法中，通过对压电材料的性能参数进行搜索，然后对性能参数进行判断，避免了初始值选取对于高损耗压电材料参数表征结果的的影响，因此可应用于包括具有高损耗特性的各种未知压电材料的参数表征，且具有很高参数表征精度。
文档编号G01R31/00GK102095949SQ20101027590
公开日2011年6月15日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者吴正斌, 徐国卿, 董洋洋 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院