一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法

本发明涉及压电材料性能测试，具体涉及一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法。

背景技术：

1、近年来，功率超声在能源领域、医疗领域、环保领域以及航天领域被广泛的应用，而压电材料作为功率超声的核心器件，也成为了当前的热门材料。

2、目前国内外对压电材料性能参数的研究大多处在弱场条件下，这与大功率压电器件的应用环境不相符合，因为压电材料在强场条件下工作时会出现明显的非线性效应，如共振漂移，谐波畸变和跳跃，势必会导致压电材料的发热，振幅饱和以及性能下降，压电材料的强场非线性效应导致压电材料强场和弱场性能参数存在很大的差别，在这种情况下，压电材料的性能参数难以确定，那么对器件的设计以及器件的性能参数的确定会变得比较困难；因此，压电材料在强场条件下性能参数的研究就显得尤为重要。

3、机械品质因数qm作为压电材料性能的重要参数之一，它主要反映压电材料在谐振时克服摩擦而消耗的能量，在很大程度上体现了压电材料的机电转换性能的优劣；目前，机械品质因数的测量可通过阻抗法和半功率点法(3db)，但其局限于弱场激励条件。

4、如上所述，在强场条件下的压电材料的性能会出现与外场相关的非线性的行为，若激励电场较大，传统方法无法测量得到准确的机械品质因数，特别需要指出的是，具有径向振动模式的圆盘压电振子在功率超声领域应用广泛，但关于圆盘压电振子的强场qm的表征研究尚属空白，圆盘压电振子在强场qm参数的表征方法及其功率特性值得进一步的研究。为此提出一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法以解决以上问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，解决现有技术中存在的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，包括以下步骤：

4、将圆盘压电振子样品沿半径方向均分成多个微元，根据微元处的热流情况建立圆盘压电振子在共振状态下发热而产生的温升的综合传热模型；

5、依据综合传热模型，建立发热参数、振动速度和机械品质因数的关系式；

6、采用阻抗分析仪测量圆盘压电振子样品的阻抗曲线，获得弱场下的共振频率，再利用电流探针微调弱场下的共振频率获得强场共振频率；

7、对圆盘压电振子样品施加强场共振频率的正弦交流电压信号进行激励，采集得到圆盘压电振子样品稳态时的温度分布情况，再通过停止激励圆盘压电振子样品，得到该样品从稳态温度降到室温的温度变化曲线，对温度变化曲线进行瞬态分析，得到圆盘压电振子样品的对流换热系数；

8、将对流换热系数代入综合传热模型中，与圆盘压电振子样品稳态时的温度分布进行拟合得到发热参数；

9、使用激光测振仪对被施加电压信号后达到稳态温度的圆盘压电振子样品进行测量，获得圆盘压电振子样品在温度达到稳态时的边界振动速度；

10、将获得的发热参数和边界振动速度代入关系式中，得到相应条件下的机械品质因数。

11、进一步地，所述综合传热模型为：；

12、

13、其中λ表示为热导率，t(r,t)表示为温度，h为圆盘压电振子的厚度，cp和ρ分别表示为比热容和元件的密度，hd为对流换热系数，tair表示为空气中的温度，qg(r)表示为单位体积的产热随半径变化的函数。

14、进一步地，所述发热参数、振动速度和机械品质因数之间的理论模型为：

15、

16、其中fr为样品的共振频率，vrms为样品的均方根振动速度，k为波矢，j0(ka)、j1(ka)分别为零阶和一阶贝塞尔函数，hg为体发热参数。

17、进一步地，通过以激励频率为共振频率且幅值较大的电压信号去激励圆盘压电振子。

18、进一步地，所述电压信号的频率为压电振子的强场共振频率，且所述电压信号的峰值可调节。

19、进一步地，所述电压信号是正弦连续交流信号或者tone-burst脉冲信号。

20、进一步地，采用红外热像仪观察样品的温度变化。

21、进一步地，通过获得的强场下的共振频率以及发热参数和振动速度计算得到的机械品质因数：

22、

23、本发明提供了一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，具备以下

24、有益效果：

25、通过测量圆盘压电振子在共振时的温度分布情况以及振动情况来表征其机械品质因数，一方面更能反映圆盘压电振子在实际情景中的损耗变化，另一方面从产热角度分析损耗，可以克服使用高振幅输入扫频的局限性；此外，还提出了利用tone-burst电场脉冲信号来激励圆盘压电振子的方法，减少了压电圆盘的温升对压电振子共振频率变化的影响。

技术特征：

1.一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，其特征在于，

5.根据权利要求2所述的一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种圆盘压电振子强场机械品质因数的测试方法，涉及压电材料性能测试技术领域，建立圆盘压电振子在共振状态下发热而产生的温升的综合传热模型；建立压电圆盘振子发热参数、振动速度以及机械品质因数之间的关系；获取圆盘压电振子强场共振频率；测量圆盘压电振子的平均对流换热系数；测量圆盘压电振子的温度分布以及振动速度；分析数据得出相应的机械品质因数；通过测量圆盘压电振子在共振时的温度分布情况以及振动情况来表征其机械品质因数，一方面更能反映圆盘压电振子在实际情景中的损耗变化，另一方面从产热角度分析损耗，可以克服使用高振幅输入扫频的局限性。

技术研发人员：陈赵江,宋李江,曹文武
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13