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压力测试技术(热工测试技术).ppt127页
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激波管标定过程 由激波管作为动态压力源，产生一个阶跃压力来激励被标定的压力传感器，然后用适当的记录仪器记下传感器被激励后的响应过程，最后，根据这一响应曲线求出传感器的传递函数或频率特性。 2. 正弦压力发生器 当振动台产生振动时，弹簧活塞块就受到一个与振动台频率相同的加速度激励，腔室内的油受活塞块作用产生压力变化，从而使标准传感器和被标传感器同时受到正弦变化的压力作用。通过改变振动台的振动频率和幅度，就可实现动态标定的目的，得到系统的幅频特性。 开孔调频转盘转动 进气口面积呈周期变化 产生压力正弦变化 * 例1：交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。 闯红灯 ? ?电子眼采用感应线来感应路面上的汽车传来的压力，通过传感器将信号采集到中央处理器，在红绿灯周期内启动或关闭电子拍照系统。 例2：汽车安全气囊系统 事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、 气体、充气、弹性体 例3:气体发生器输出特性测试 密封容器压力测试法 例4：压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态分析跑台 压电式纵跳训练分析装置 压电传感器测量双腿跳的动态力 3.7 压力检测仪表的安装 1. 取压口的选择 在管道或烟道上取压 测量流动介质的压力 测量液体介质的管道上取压
2. 导压管的铺设 导压管是传递压力、压差信号的。
3. 压力、压差计的安装 压力传感器的安装 1.管子越细、频率越高，则吸收效应越显著，压力波的衰减也就越明显。 2.随着传压管长的增加，系统的固有
正在加载中，请稍后...前已应用于海洋地质调查、海洋地貌探测、编制海图、航道疏通几港务工程、海底电缆及管道敷设工程、导航、海事救捞工程、指导海业生产（鱼群探测）以及海底和水中目标物探测及识别等方面。在现代化军舰和远洋航船上早就装备了这种称为”声纳”的现代化电子设备。(2)超声技术中的应用――超声波探测：有医疗诊断技术，如”超声心动仪”等诊断设备。此外还有超声波测距计、超声波液面计、车辆计数器、电视机遥控器等。(3)高压发生装置上的应用：主要有各种高压发生器如压电点火器、引爆、引燃、煤气灶点火器、打火机、压电开关和小型电源等。此外还有用于小功率仪表上的压电变压器等。(4)滤波器上的应用：主要包括各种电子设备中的谐振器、滤波器。(5)电声设备上的应用：主要是各种电声器件如拾音器、扬声器、送受话器、蜂鸣器、声级校准器及电子校表仪等。(6)其它方面的应用：除上述应用外，压电陶瓷还具有较为广泛的其它应用。包括各种检测仪表和控制系统中的传感器如压电陀螺以及广泛应用于对讲计算机、对讲钟表、对讲、自动售货机、电子翻译机、高保真立体音频系统、高功率手提音频装置等的压电厚膜声合成器件等等。压电陶瓷的应用可谓遍地开花，空前繁荣。当然，这里由于篇幅所限，不能一一列举，只是择其典型加以列举。（二）介电陶瓷的掺杂改性PZT改性可分为两个方面，一方面是PZT本身Zr/Ti比的调整，另一方面是在PZT中微量掺杂，二者都是调整其组成而达到改进性能的目的。从掺杂对PZT性能的影响可将掺杂物大致分为三类：
第一类掺杂物是高价离子起主要作用的施主添加物，如La2O3、Nd2O3、Nb2O5、Ta2O5、Bi2O3、Sb2O3、ThO3、WO3等。这些添加物中的Nb5+、La3+、W6+、Bi3+等进入PZT固溶体品格中分别置换Pb2+或( Zr，ri)4+，由于施主添加物中这些离子带有较多正电荷，根据电价平衡原理，将在晶格中形成一定量的正离子缺位（主要是A位），由此导致晶格内畴壁容易移动，结果使矫顽场降低。同时又因为PZT是P型导电，即“空穴”为载流子，Nb5+这种施主杂质的添加补偿了P型载流子，从而使电阻率提高l02 ―103倍。由于第一类添加物使陶瓷极化容易，因而相应提高了压电性能，而且使极化过程中产生的内部应变在极化后迅速消散，从而减小时间变化。但是空位的存在增大了陶瓷内部的弹性波衰减，引起机械品质因素Qm和电气品质因数Qe的降低，因而具有第一类添加物的Pb (Zr，Ti) O3压电陶瓷常称为“软性”压电陶瓷。其性能变化如下：介电常数增大、介电损耗增大、弹性柔顺系数增加、机械品质因数Qm和电气品质因数Qe降低、矫顽场降低并显现矩形电滞回线、体电阻率大幅增加、材料老化减弱。
第二类掺杂物是低价离子起主要作用的受主添加物，如Cr2O3、Fe2O3. CoO、Mr1O2等。这些添加物的作用与高价离子施主添加物作用相反，受主置换后形成负离子（氧位）缺位。当PZT晶格中存在氧缺位时，晶胞收缩，抑制畴壁运动，降低离子扩散速度，而且矫顽场增加，从而使极化变得困难，压电性能降低。变大，有这类添加物存在的Pb( Zr，Ti)O3压电陶瓷称为“硬性”压电陶瓷。其性能变化如下：介电常数减小、介电损耗减小、弹性柔顺系数变小、机械品质因数Qm和电气品质因数Qe增加、矫顽场增加并使极化及去极化变难。“硬性”添加物还有一个明显的作用，就是在烧成时阻止晶粒长大。因为“硬性”添加在PZT中固溶量很小，一部分进入固溶体中，多余的部分聚集在晶界，使得晶粒长大受阻。这样可以使气孔有可能沿晶界充分排除，从而得到较高的致密度。
第三类掺杂物是化合价变化的离子添加物，这类添加物是以含Cr和U等离子为代表的氧化物，如Cr2O3、U2O3等。它们在Pb (Zr，Ti) O3固熔体晶格中显现了一种以上的化合价，因此能部分的起到产生A缺位的施主杂质的作用，部分的起到产生氧缺位的受主杂质的作用，它们本身似乎能在两者作用之间自动补偿，并使材料性能发生如下变化：老化速率降低、体电阻率稍有降低、Qm和Qe稍有下降、介电损耗稍有上升，温度稳定性得到较大改善。钙钛矿是地球上最多的矿物，许多具有钙钛矿结构的人造晶体（包括多晶体陶瓷）具有自发极化并能在外电场作用下沿外电场方向重新定向，因而是铁电体或压电体，并已被广泛应用于电子技术、光学技术等领域。典型的钙钛矿结构化合物的化学试是ABO3，A离子的半径总是比B离子的大，A位于立方相的8个角点上，而B则位于体心或立方体的8个角点上，O位于6个面心或12个棱。从热力学角度看，钙钛矿结构的稳定性取决于两个因素：(1)阳离子半径应在适当的范围内，可由容度因子t来描述： t?r?r式中rA,rB和ro分别为A、B和O位的平均离子半径，对A位离子配位数为12的钙钛矿结构，0.88&t&1.09。(2)阳离子与阴离子之间要形成很强的离子键，根据Pauling公式，平均电负性差可决定阴阳离子 之间的离子性：x?xA?o?x2?Bo式中xA?o、xB?o 。分别为A、B离子与氧离子的电负性差。Halliyal等对一系列钙钛矿结构化合物的容度因子和电负性进行统计计算，发现铅系钙钛矿结构化合物电负性和容差因子普遍比钡、锶为基的钙钛矿结构小。从热力学角度来看，铅系ABO3化合物较难形成稳定的钙钛矿结构，因而难以合成单一的钙钛矿相。Jang等从动力学角度出发，归纳了铅系复合钙钛矿结构化合物合成过程中几个形成焦绿石相的主要原因：(1)部分氧化物反应活性差。(2)组分分布不均匀。(3)PbO易挥发。最近有研究认为，Pb(B1B2)O3中B位离子1：1有序微区的存在可能是焦绿石相容易出现的一个原因。焦绿石相的存在将严重恶化驰豫铁电体的介电性能，因而如何合成出纯钙钛矿相的驰豫铁电体材料，就成了制备高性能驰豫铁电材料的关键所在。研究表明，适当的热处理有助于减少甚至消除焦绿石相，达到改善材料性能的目的。（三）电介质的极化在电介质材料中，起主要作用的是被束缚的电荷，在电场作用下，正负电荷可以逆向移动，单它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移，称为极化。从微观机制上分析，电介质的极化可以有三种方式产生，即电子位移极化、离子位移极化和极性分子的取向极化，极化的结果均导致介质中产生电偶极子。电子的位移极化是指电介质在外电场作用下，构成它的原子、离子中的电子云将发生畸变，使电子云与原子核发生相对位移，因而产生了电偶极矩?e??eE,?e?4??0R3，极化率一般为l0-40F2m2数量级。电子的位移极化表示由于外电场的影响，电子将有一定的概率吸收能量并在响应的能级之间跃迁，主要来自于价电子。通常负离子的电子位移极化远大于正离子，过渡金属元素由于3d电子的存在也会产生大的电子位移极化。因此选取半径较大、价电子数较多的金属元素进行A、B位取代或在大电场作用下均可得到大的电子位移极化。离子位移极化是指在外电场作用下，电介质中的正负离子产生了相对位移，从而电介质产生了宏 e2(m1?m2)观电偶极矩，由于正负离子之间的相互作用，使他们围绕质心谐振，?a?极化率一般为m1m2?210-38F?m2数量级。因此可以通过计算正负离子之间的相互作用而推算体系的离子位移极化。固有电偶极矩的取向极化是指若组成电介质的分子是极性分子，由于其正负电中心不重合而产生 的固有的电偶极矩，在外电场作用下，由于正负电荷受电场力作用，取向无序的电偶极矩有指向外电 场方向的趋势，?d??23kT，极化率一般为l0-38F?m2数量级。分子的总极化率可以认为是各种机制极化率的总和???e??a??d。对于单位体积分子数为N的体系存在关系?r?1N? ??r?23?0（四）准静态法测试压电常数d33压电常数是压电陶瓷的最重要的物理参数，它取决于不同的力学和电学边界约束条件。压电常数有 四种不同的表达方式，其中用得最广泛的是压电常数d，压电效应是一种线性的机一电耦合效应，压电 常数是一个力学的二阶对称量和一个电学一阶张量联系在一起，因此是一个三阶张量，共有33 =27个分量。但是由于力学张量的对称性，其中只有18个是独立的，因此可以用矩阵方式在表示。对于压电陶瓷由于其对称性，18个压是常数分量中只有5个非零分量，其中只有3个是独立分量。d31=d32、d33、 和d15=d24。压电常数除与材料本身的性质有关外通常还与压电陶瓷进行极化处理的条件有关。
设样品的静态电容为C，由于充有电荷Q，因而在样品两极产生电压V?d33?Q，故 CQCV? F3F3ZJ-3A型d33准静态测试仪的测量原理是将一个低频（几赫兹到几百赫兹）振动的应力同时施加到待测的压电样品和已知压电系数的标准样品上，将两个样品的压电电荷分别收集并作比较，经过电路处理，使待测样品的d33值直接由数字管显示出来，同时表示出样品的极性。（五）电滞回线的测试晶体在整体上呈现自发极化，这意味着在其正负端分别有一层正的和负的束缚电荷，束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向[称为退极化场(depolarization field)]，使静电能升高。在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加。所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干个小区域，每个小区域内部电偶极子沿向一方向，但各个小区域中电偶极子方向不同，这些小区域称为电畴或畴( domain)，畴的间界叫畴壁(domainwall)，畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入了畴壁能。总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定构型．铁电体的极化随电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下，新畴成核长大，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场(见图4)，此时可逆的畴壁移动占主导地位。当电场增强时，新畴成核，畴壁运动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快-当电场达到相应于B点的值时，晶体成为单畴的，极化趋于饱和．电场进一步增强时，由于感应极化的增加～总极化仍然有所增大(BC段)。如果趋于饱和后电场减小，极化将循CBD曲线减小，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态。线段OD表示的极化称为剩余极化Pr (remanent polarization）。将线段CB外推到与极化轴相交于E，则线段OE等于自发极化Ps。如果电场反向，极化将随之降低并改变方向。直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和，这一过程如曲线DFG所示．OF所代表的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场Ec(coercive field)。电场在正负饱和值之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线CBDFGHC所示，此曲线称为（饱和）电滞回线(hysteresis loop)。
当外加电场除去后仍存在极化，而且其自发极化方向可随外电场方向的不同而反转，这类材料称为“铁电体”。铁电体的极化强度P与电场强度E的关系类似于铁磁材料的磁化特性，称为电滞现象。如图所示，电场强度不断增大，最后使晶体成为单个的电畴，晶体的极化强度达到饱和，即C点以后的恒定值Ps称为
图4铁电体的电滞回线饱和极化强度，实际上，Ps的大小边就是每个电畴所固有的自有的自发极化强度。因而是针对每个电畴而合的，如果电场从C状态降低，晶体的极化强度也随之减小，直到零电场时仍存在剩余极仳强度Pr，这个剩余极化强度Pr是整个晶体而言的。如加以反向电场使达到Ec，剩余极化才全部消除。反向电场继续增大极化强度开始反向，最终也将达到反向饱和，Ec被称为矫顽场强。显而易见，如果矫顽场强大于晶体的击穿场强，那么在电畴极化到反向之前晶体已电击穿，这种晶体便不存在铁电性。 （六）居里温度测试晶体的铁电性通常只存在于一定的温度范围，在铁电相时具有自发极化，随着温度的升高自发极化减弱，当达到某一临界温度Tc时自发极化消失，铁电体(ferroelectric)变为顺电体(paraelectric)。铁电体& 2013 北京市德山线缆有限公司版权所有 生产厂址:北京市房山区石楼工业区58号 联系电话:010- 上传我的文档
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