[发明专利]一种变温超声谐振谱的多点测试方法

说明书

一种变温超声谐振谱的多点测试方法，涉及超声及材料参数测试。利用一对超声压电换能器夹持住待测样品的两个对角顶点，并置温控箱内，其中激发振动的超声压电换能器激发样品的振动，接收振动的超声压电换能器对所接触样品顶点处振动进行测试，同时利用激光测振仪对样品表面任意一点处的振动进行测试，实现待测样品超声谐振谱的多点变温测试，利用所测超声谐振谱可对样品的全矩阵材料参数进行反演。实现样品振动的多点变温测量，通过综合多点测量得到的超声谐振谱，可尽可能避免变温超声谐振谱中谐振模式的遗漏，通过后续的反演技术，将可得到样品全矩阵材料参数随温度的变化关系，此对压电材料的应用极为关键。

技术领域

本发明涉及超声及材料参数测试，尤其是涉及一种变温超声谐振谱的多点测试方法。

背景技术

压电材料无论在工业检测与医疗超声换能器中，还是在水声换能器中皆有着广泛应用。这些实际运用不断对压电材料提出新的性能需求，从而成为压电材料持续发展的驱动力。近 20年来，弛豫铁电单晶，如铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)、铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)及铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIN-PMN-PT)等，由于在准同型相界(MPB)附近具有超高压电性能而倍受重视，相关研究发展迅猛，其压电应变系数d₃₃可达到1500～2800pC/N，机电耦合系数k₃₃可达0.9左右，远远超过传统的锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)。正由于弛豫铁电单晶超高的压电性能，使得其在医疗超声换能器中有着极大应用潜力。

压电材料在制备完成之后，首先必须对其弹性、压电及介电材料参数进行定征，然后才能用于压电换能器的设计加工。此外，还需对压电材料的材料参数随温度变化特性作定征，因为，一方面，压电换能器往往需工作于不同的环境温度，如用于热交换管健康监测的压电换能器需耐高温；另一方面，压电换能器在工作过程中，自身会发热导致温度升高。温度的升高往往导致压电材料力学及电学材料参数的变化，从而导致压电换能器性能下降，若能明确压电材料全矩阵材料参数随温度的变化关系，则可从电路设计上对其进行补偿，从而保证压电换能器性能的稳定。

目前，定征压电材料全矩阵材料参数多采用超声脉冲-回波与电阻抗谐振技术。利用上述技术定征压电材料全矩阵材料参数必须采用多块尺寸差异显著的样品，如定征[001]_c方向极化的PMN-PT单晶样品，需要5块样品^[1]，而定征[011]_c方向极化的PMN-PT单晶样品，需要7块样品^[2]。从不同样品得到一个或多个独立材料参数，最后将从多个样品得到的材料参数综合到一起作为该材料的全矩阵材料参数。该方法最大缺点是获得的参数很有可能不自洽。所谓不自洽是指将测量所得材料参数代入压电方程所得某个参数的计算值与实测值相对误差超过 5％，或者根据不同压电方程所得同一个参数的计算值相对误差超过5％^[3，4]。根据不自洽的全矩阵材料参数甚至可导出机电耦合系数>1。更为严重的是，若采用不自洽的全矩阵材料参数进行压电换能器设计，很可能导致设计失败。导致不自恰的主要原因在于:弛豫铁电单晶样品极化方向的厚度对极化程度有严重影响，如对长压电棒沿着轴向进行极化比对压电薄板沿厚度方向极化困难得多，而极化程度差异导致不同样品的全矩阵材料参数也存在差异，随着温度升高，弛豫铁电单晶会出现一定程度的退极化，从而使得样品间差异更大^[5]。因此，采用传统超声脉冲-回波与电阻抗谐振技术定征压电材料全矩阵材料参数随温度变化特性几乎无法保证自洽。

欲保证所定征的全矩阵材料参数自洽，采用样品数目必须尽可能少，最理想定征是所有参数来自于同一块样品。迄今为止，能够实现仅用一块样品即可定征压电材料全矩阵材料参数的方法只有超声谐振谱(RUS)技术^[6-8]。RUS技术的基本原理如下:一个样品的谐振频率决定于样品的几何及材料参数，其中几何参数可直接测量得到，反之，若能够精确测出样品的若干谐振频率，则可对样品的材料参数进行反演。因此，探索压电体的变温超声谐振谱的精确测试技术就显得非常有意义。需指出，能对压电体的变温超声谐振谱进行测试的系统亦可对非压电体的变温超声谐振谱进行测试。