1、UDC 621.315.612- 79 G1 中华人民共和国国家标准GB 3389. 4-82 压电陶瓷材料性能测试方法柱体纵向长度伸缩振动模式Test methods for the properties of piezoelectric ceramics Longitudinal length extension vibration mode for rod 1982-12-30发布国东标准属批准1983一门一01实施中华人民共和国国家标准压电陶瓷材料性能测试方法柱体纵向长度伸缩振动模式Test methods for the properties of piezoelectric cer
2、amics Longitudinal length extension vibration mode for rod 标准适用于测试压电陶瓷柱状振子纵向长度伸缩振动模式的材料性能。1名词术语及符号表UDC621.315 .612 79 GB 3389. 4-82 本标准所采用的名词术语的定义见GB 3389.1 82压电陶瓷材料性能测试方法常用名词术语。本标准所采用的符号及其名称、单位见表1。Z导纳特性和等效电路2. 1 导纳特性纵向长度伸缩振动模的导纳Y可用下面公式表示：y jwCs =( 1 ) 1 - k ;3N t巴Xw甘f式中：N一一一，而X一一一一一王一二2V飞fp N一一归一化频
3、率X的偶函数，1己单位数zX一一归一化频率，无单位数zcs一一部分受夹电容，F,f一一.ff一频率，Hz; JP一一并联谐振频率，Hz;k33一一纵向机电祸合系数，无单位数zl一一试样长度，m;D一一纵向声速，而s。国家标准局1982一12-30发布1 983一门01实施GB 3 3 8 9 . 4 -8 2 2.2等效电路纵向长度伸缩振动模的等效电路如图1所示。r . : 11：一一C T l c.o c ；， 图1纵向长度伸缩振动模等效电路c s.-c s一部分受夹电容zC 1 C 2C -zJJ态电容；Li, L2L”一动态电！感gR, R2 R. -iJJ态电阻gjwCs K2N一人端
4、导纳在基波谐振频率附近可将图1简化如图2。简化等效电路由并联电容Co，动态电容C1，动态电感L1，动态电阻R1所组成。在基波谐振频率附近可认为等效电路的这些参数与频率无关。图2在基波谐振频率附近简化的等效电路根据图2所示的等效电路，当机械品质因数Q.值较大，且不考虑介电损耗，在基波i皆振频率附近wC。随频率的变化很小，可视为常数，因而纵向长度伸缩振动模的导纳Y，随着频率的变化，在电导一电纳的复数平面上的轨迹是一个圆，如图3所示。电纳一丁一wC“ 电导图3压电振f的导纳圆图GB 3 3 8 9 . 4 -8 2 从图3的导纳圆图中，可得到以下六个特征频率：f s一一串联谐振频率；fp 一一并联谐
5、振频率s！，一一谐振频率（电纳为0) ; 人一一反i民振频率（电纳为0) ; 一一一最大导纳频率pf.一一最小导纳频率。这些频率间的关系如下zfs人F人m) (/P -fs）（人。当振F的优值M较高时，在一级近似下可得如下关系式z儿5人a。本标准用串联谐振频率代替谐振频率1和最大导纳频率$用并联i皆振频率fp代替反谐振频率人和最小导纳频率。当振子的优值M较小时，不能直接用（儿一儿来代替（m一人），必须加以修正。其近f公式如下E人一ImLi I = IOO，利用近似公式（2)(3）所产生的（儿）的误差小于1%。3测试条件3. 1 环境条件正常试验大气条件z温度2030 仲裁试验的标准大气条件z温
6、度相对湿度45% 75% 相对温度气压86 106kPa 气压25 148%52% 86 106kPa 3.2试样尺寸及要求圆柱：长度l与直径d之比d2.5。不圆度不大于直径公差的一半，不平行度不大于长度的公差。试群尺寸：-3。不直度不大于长度的公差，不平行度不大于宽度的公差3试样咫寸：6 6 x 20mm。试样在两端面全部被覆上金属层作为电极，沿长度方向进行极化处理。3.3测试前试样的准备试样应保持清洁F操，根据不同瓷料极化后存放一定时间，并在本标准规定的环境条件下放置二小时后进行测量。3.4试样两端测试电场E的要求测电容和介质损耗：E 10Rr1。一般取Rn=Rn，为了降低测量误差，终端电
7、阻RT2的取值应与被测试样的动态电阻Rl相应，其比值RrzIR1不大于1/2但不小于1/10。终端电阻RT3的取值可根据电压表的灵敏度来确定（参考值为1skQ）。网络接线及夹具的分布电容CAB要尽量小，它与试样的自由电容之比CAB;er不大于1/10，分布电容CTICrz的容抗一一，一要远大于Rn和Rrz。wCr1 wCrz 4.2.3测试设备及要求信号发生器：频率范围为20Hz 2ookH z，振荡频率瞬时稳定度高于待测频率的准确度，输出波形为正弦技，谐波失真抑制大于30dB。频率计z输入阻抗远大于信号发生器的输出阻抗，且不影响信号发生器的输出电平，性能稳定。电压表：输入阻抗高，输入电容不大
8、于40pF，频率范围高于待测频率，灵敏度高，性能稳定。电GB 3389.4-82 压测量范围为O.lmVlOV。可变电阻器：要求用无感电阻箱，最小分度为0.10，使用频率不低于zookHz。测试盒及试样支架：测试盒要求严格屏蔽，与各仪器连接用屏蔽线，且尽量短，接插件采用通用的高频电缆插头，试样支架既要稳固地支持住振F，又要使振予处于自由振动状态，还要保持夹具与振子的电接触良好。4.2.4测量步骤4. 2. 4. 1 串联谐振频率元，并联谐振频率fp的测量将试样置于测试支架接人图4线路，将转换开关K接终端电阻Rr2调节振荡器频率使终端电压表指示最大，此时的频率为串联谐振频率Iso将转换开关K换接
9、终端电阻R73增大振荡器频率，使终端电压表指示最小，此时的频率为并联谐振频率的测量值f；。若测试网络及试样支架的分布电容CAB可以忽略，则1:= fp，若不可忽略，则利用下式求出并联谐振频率fp 0 1: f, = , r ( 4 ) - I c f卢内？1s)2-14.2.4.2动态电阻R1的测量动态电阻RI的精确测定是很困难的，本标准采用替代法求得其近似值。按4.2.4.1的方法，将信号发生器的频率调至此，并记下终端电压表的指示，用可变电阻器替代试样，调节它的阻值使终端电压表指示与原来相同，此时可变电阻器的阻值即为动态电阻RIo 4.3试样尺寸的测量用精度为O.Olmm的量具，测量试样的长
10、度i，宽度b，直径d。5材料参数的计算按第4章所规定的测试方法，测得自由电容CT，串联谐振频率儿，并联谐振频率p动态电阻R1，及试样尺寸。按GB2413s1压电陶资材料体积密度测量方法耳听规定的方法测得试样的体积密度后计算材料参数，计算公式及单位见表2。纵向机电藕合系数k33值的计算，一般可先算出L1f I fp的比值，然后查附录ALlf/fpk33数表求得。表1符号表序号符号名称单位（SI制1 b 试样宽度m 2 er 自由电容（CrCo+C13 Co 压电振f简化等效电路的并联电容4 C1, C2C. 压电振f等效电路的动态电容F 5 CAB Cr1 C r2 传输线路的分布电容6 c S
11、 部分受夹电容GB 3389. 4-82 续表1序号符号名称单位（SI制7 d 试样亘径1 8 d 33 纵向压电应变常数m/V戎C/N9 D （上标表示在恒电位移条件下10 E 电场强度V m 11 E 上标表示在恒电场条件下12 f 任意顿率13 f 反谐振频率（电纳为0) 14 !.,. 最大导纳频率15 f 最小导纳频率Hz 16 !, 并联谐振颇率17 f 并联谐振顿率的测过值p 18 f 谐振频率（电纳为0) 19 !, 串联i街振频率20 933 纵向压电电压常数V m/N或m2/C21 k 33 纵向机电铜合系数无单位数22 试样长1吏m 23 L I L 2L ” 压电振子等
12、效电路的动态电感H 24 M 压电振子的优值无单位数25 N 归一化频率的偶函数26 N3 纵向长度伸缩振动的频率常数H z、mGB 3389.4-82 续表1序号符号意义单位（s I制27 O 机械品质因数无单位数28 R1, Rz R. 压电振子等效电路的动态电阻29 R; RTI 传输线路的分压电阻Q 30 Rr2 RT3 传输线路的终端电阻31 R 可变电阻器32 s 试样的横截面积mZ 33 s 开路弹性柔顺系数m2 / N 34 s 短路弹性柔顺系数35 I 试样厚度m 单36 1D 纵向声速m / s 37 x 归二化频率无单位数38 y ！王电振f的导纳s 39 zm 压电振I
13、最小阻抗Q 40 t g 介电损失角.iE切无单位数41 eo 真空介电常数（eo= 8.85 10 - 12) F / m 42 e,; 相对介电常数无单位数43 ！王电陶瓷密度kg / m 3 44 Q角颇率rad/ s GB 3389. 4-82 表2纵向长度伸缩振动模的材料参数计算公式及单位序号符号名称计算公式单位S）制纵向长度伸缩N3=1/p Hz m N3 振动频率常数2 问D 纵向声速问D=2/fpm / s T CT I T 33 T 相对介电常数e r3 一E一O一eo一s一3 e r3 纵向机电藕合:r I sA I 无单位数k 一一一-tg（一一一4 k33 系数33 2
14、 Ip 2 Ip 1: 5 o . 机械品质因数0 1,2 2:rlsR1I: ) 纵向压电应变T E I 2 C/N或m/V6 d33 数d33 = k33 (e ,3 eo S 33) 常 纵向压电电臣933 = T d33 V m/N或m2/C7 g33 常数e r3 eo SD 开路弹性柔顺D 1 8 s山，= I ” 常数4 / 2 . m2/N SE 短路弹性柔顺E S3 9 33 常数s 山啊= 1-h与 Ll/ I I k33 0.000 0.001 0.0497 0.002 0.0702 0.003 0.0859 0.004 0.0992 0.005 0.1108 0.006
15、 0.1213 0.007 0.1310 0.008 0.1399 0.009 0.1484 0.01_0 0.1563 0.011 0.1638 0.012 0.1710 0.013 0.1779 0.014 0.1846 0.015 0.1910 0.016 0.1971 0.017 0.2031 0.018 0.2089 0.019 0.2145 。.0200.2200 0.021 0.2253 0.022 0.2305 0.023 0.2355 0.024 0.2405 0.025 0.2453 0.026 0.2500 0.027 0.2547 0.028 0.2592 0.029
16、0:2637 GB 3 3 8 9 . 4 -82 附录AL1 I I fpk数表补充件Llf/ fp k 33 0.030 0.2681 0.031 0.2724 。.0320.2766 0.033 0.2807 0.034 0.2848 0.035 0.2888 0.036 0.2928 0.037 0.2967 0.038 0.3005 0.039 0.3043 0.040 0.3080 0.041 0.3117 0.042 0.3153 。.0430.3189 0.044 0.3124 0.045 0.3259 0.046 0.3293 0.047 0.3327 0.048 0.336
17、1 0.049 0.3394 0.050 0.3427 0.051 0.3458 0.052 0.3492 0.053 0.3523 0.054 0.3555 0.055 0.3586 0.056 0. 3616 0.057 0.3647 0.058 0.3677 0.059 0.3706 L1 I/ Ip k33 0.060 0.3736 0.061 0.3765 0.062 0.3794 0.063 0.3823 0.064 0.3851 0.065 0.3879 0.066 0.3907 0.067 0.3935 0.068 0.3962 0.069 0.3989 0.070 0.401
18、6 0.071 0.4043 0.072 0.4069 0.073 0.4095 0.074 0.4121 0.075 。.41470.076 0.4173 0.077 0.4198 0.078 0.4223 0.079 0. 4248 0.080 0.4273 0. 081 0.4297 0.082 0.4322 。：0830.4346 0.084 0. 4370 0.085 0.4394 0.086 0. 4417 0.087 0. 44 41 0.088 0.4464 0. 089 0.4487 9 GB 3389. 4 -82 续表L1 I I Ip k33 Llf I Ip k33
19、L1 I/ Ip k33 0.090 。.45100.130 0.5320 0.170 0.5972 0.091 0.4533 0.131 0.5338 0.171 0.5987 0.092 0.4556 0.132 0.5356 0.172 0.6002 0.093 0.4578 0.133 0.5373 0.173 0.6016 0.094 。.46010.134 0.5391 0.174 0.6031 0.095 0.4623 0.135 0.5409 0.175 0.6046 0.096 0.4645 0.136 0.5426 0.176 0.6060 0.097 0.4667 0.1
20、37 0.5443 0.177 0.6074 0.098 0.4689 0.138 0.5461 0.178 0.6089 0.099 0.4710 。.1390.5478 0.179 0.6103 0.100 0.4732 0.140 0.5495 0.180 0.6117 0.101 0.4753 0.141 0.5512 0.181 0.6131 0.102 0.4774 0.142 0.5529 0.182 0.6146 0.103 0.4796 0.143 0.5546 0.183 0.6160 0.104 0.4817 0.144 0.5563 0.184 0.6174 0.105
21、 0. 4837 0.145 0.5579 0.185 0.6188 0.106 0.4858 0.146 0.5596 0.186 0.6201 0.107 0.4879 0.147 0.5613 0.187 0.6215 0.108 0.4899 0.148 0.5629 0.188 0.6229 0.109 o. 4919 0.149 0.5645 0.189 0.6243 0.110 0.4940 0.150 0.5662 0.190 0.6256 0.111 0.4960 0.151 0.5678 0.191 0.6270 0.112 0.4980 0.152 0.5694 0.19
22、2 0.6284 0.113 0.4999 0.153 0. 5710 0.193 0.6297 0.114 0.5019 0.154 o. 5726 0.194 0.6310 0.115 0.5039 0.155 0.5742 0.195 0.6324 0.116 0.5058 。.1560.5758 0.196 0.6337 0.117 0. 5078 0.157 0.5774 0.197 0.6350 0.118 0.5097 / 0.158 0.5789 0.198 0.6364 0.119 0.5116 0.159 0.5805 0.199 0.6377 0.120 0.5135 0
23、.160 0.5820 0.200 0. 6390 0.1 21 0. 5154 0.161 0.5836 0.201 0.6403 0.122 0. 5173 0.162 0. 5851 0.202 0.6416 0.123 0. 5192 0.163 0. 5867 0.203 0.6429 0.124 0.5210 0.164 0.5882 0.204 0. 6442 0.125 0. 5229 0.165 0.5897 0.205 0.6455 0.126 0.5247 0.166 0. 5912 0.206 0.6467 0.127 0. 5265 0.167 0. 5927 0.
24、207 0.6480 0.128 0. 5284 0.168 o. 5942 0.208 0.6493 0.129 0. 5302 0.169 0. 5957 0.209 0.6506 10 GB 3389.4-82 续表.d f I fp k33 L1 I I Ip k33 L1 /.;Ip k33 0.210 0. 6518 0.250 o. 6986 0.290 0. 7392 0.211 0. 6531 0.251 0.6996 0. 291 0. 7401 0. 212 0.6543 0.252 0. 7007 0. 292 0. 7411 0. 213 0.6556 0.253 0
25、.7018 0.293 0. 7420 0.214 0.6568 0.254 0. 7029 0.294 0. 7429 0.215 0.6580 0.255 o. 7039 0.295 0. 7439 0. 216 0.6593 0.256 0. 7050 0.296 0. 7448 0. 217 0. 6605 0.257 o. 7061 0.297 0.7457 0. 218 0. 6617 0.258 0. 7011 0.298 。.7467 0. 219 0. 6629 0.259 o. 7082 0. 299 0. 7476 0.220 0. 6642 0.260 0.7092 0
26、. 300 0. 7 485 。.2210.6654 0.261 0. 7103 0.301 0. 7494 0.222 。.66660.262 0. 7113 0.302 0. 7503 。.2230. 6678 0.263 o. 7124 0.303 0. 7512 0.224 。.66900. 264 0. 7134 o. 304 0. 7522 0.22ii 0. 6702 0.265 0. 7144 0. 305 0. 7531 0.226. 0. 6713 0.266 o. 7155 0.306 o. 7540 0.227 0. 6725 0.267 o. 7165 0.307 0
27、. 7549 0.228 0.6737 0.268 0.7175 。.308 0. 7558 0.229 0.6749 0.269 o. 7185 0. 309 0. 7567 0.230 0. 670 0. 270 0. 7196 。.310 0. 7575 0.231 0.6772 0. 271 o. 7206 0.311 0. 7584 0.232 0. 6784 0.272 0. 7216 0.312 0. 7593 0.233 0.6795 0.273 0. 7226 0. 313 0. 7602 0.234 0. 6807 0.274 o. 7236 0.314 0. 7611 0
28、.235 0. 6818 0.275 o. 7246 0. 315 0. 7620 0.236 0. 6830 0.276 0. 7256 0. 316 o. 7628 0.237 0. 6841 0.277 o. 7266 0. 317 0. 7637 o. 238 0. 6852 0.278 0. 7276 0. 318 0. 7646 0.239 0. 6864 0.279 o. 7285 0.319 0. 7654 0.240 0.6875 0.280 o. 7295 0.320 0. 7663 o. 241 0. 6886 0.281 0. 7305 0.321 0. 7672 0.
29、242 0. 6898 0.282 0.7315 0.322 0. 7680 0.243 0.6909 0. 283 o. 7324 0.323 。.7689 0.244 0.6920 0.284 o. 7334 0.324 。.7697 0.245 0.6931 0. 285 o. 7344 0.325 0. 7706 o. 246 。.69420.286 o. 7353 0.326 0. 7714 0.247 0. 6953 0.287 0. 7363 0.327 0. 7723 0.248 0.6964 0. 288 0. 7373 。.3280. 7731 0.249 0. 6975
30、0. 289 o. 7382 0.329 0. 7740 11 GB 3389.4-82 续表A/If k 33 L1 I I Ip k 33 L1/ ! /p k 33 0.330 0. 77 48 0.370 0.8063 0. 410 0.8342 0.331 0. 7756 0.371 0.8070 0.411 0.8348 0.332 0. 7765 0.372 0.8077 0.412 0.8355 0.333 0. 7773 0.373 0.8085 0. 413 0.8361 0.334 o. 771!1 0. 374 0.8092 。.414 0.8368 0.335 0.
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