【摘 要】
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压电材料具有压电效应,能够对电能和机械能进行相互转化,因而在功率超声领域具有广泛的应用。介电系数和介电损耗因子是评价压电材料性质的关键参数,对功率超声设备的自发热特性和工作稳定性具有重要影响。目前,压电材料介电参数表征研究大多在弱电场条件下进行,与功率超声设备强电场激励条件不符。由于压电材料参数具有较强的电场依赖特性,为选择合适的压电材料和制订超声换能器的最佳设计方案,就必须知道这些压电材料在强电
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压电材料具有压电效应,能够对电能和机械能进行相互转化,因而在功率超声领域具有广泛的应用。介电系数和介电损耗因子是评价压电材料性质的关键参数,对功率超声设备的自发热特性和工作稳定性具有重要影响。目前,压电材料介电参数表征研究大多在弱电场条件下进行,与功率超声设备强电场激励条件不符。由于压电材料参数具有较强的电场依赖特性,为选择合适的压电材料和制订超声换能器的最佳设计方案,就必须知道这些压电材料在强电场下的介电参数。在另一方面,对介电损耗引起的自发热现象进行研究对于维持功率超声设备的稳定工作具有参考价值。但是,目前关于压电材料自发热特性的研究大多为连续波电场信号驱动,与部分超声设备使用的Tone-Burst电场驱动模式存在显著差别。因此,研究Tone-Burst强电场驱动下压电材料的自发热特性并以此来表征压电材料的强场介电性能具有重要的理论和应用价值。需指出的是,在对压电材料强场特性进行实验研究时,超声功率源和压电样品之间可能存在严重的阻抗不匹配问题。因此,设计和制作合理的阻抗匹配装置以实现较好的功率信号传递是开展压电材料强场性能表征的重要前提和基础。本文针对现有压电材料在强电场激励下的自发热现象和介电性质表征研究的不足,在设计制作可调宽频阻抗匹配装置的基础上,通过理论建模,数值仿真和实验测量评估压电材料在Tone-Burst电场信号激励下的自发热特性,探讨估算压电材料介电损耗功率和对流换热系数的方法,研究了强电场激励下表征压电材料介电性质的不同方法,主要工作包括:（1）基于对强电场下压电材料自发热和介电性质表征研究的需求,本文通过采用STC89C52系列单片机作为控制电路主控芯片、多重铁氧体磁环线圈作为阻抗变换核心、按键控制的继电器作为阻抗变换档位切换方式,同时采用显示阻抗变档位的数码管显示电路。通过软件编程和模块化电路设计,制作了高功率宽频阻抗匹配装置,较好实现了对超声电源和压电样品二者之间的阻抗匹配,最高能达到接近100%匹配吸收率,能满足强电场下压电材料介电损耗发热及介电性质表征实验需求。（2）为克服与Tone-Burst电场激励相关的一些功率超声设备过热问题的需求,本文建立了一个用于研究压电元件介电损耗自发热现象的理论模型,以该模型合理地评估由Tone-Burst电场激励引起的介电损耗温升,采用拉普拉斯变换对压电元件自发热模型进行解析求解,获得了压电样品瞬时温升的解析表达式。通过使用温升解析表达式进行数值模拟并搭建自发热测量系统进行实验表征,研究了不同电场激励参数对压电样品温升的影响,阐明了Tone-Burst波与连续波激励的温升差异,验证了自发热理论模型的有效性。此外,考虑到直接测量压电样品的平均对流换热系数（?）σ较为困难,本文还提出了一种多参数拟合估算方法,以获得强场激励条件下压电样品的平均对流换热系数（?）σ,为功率超声换能器的散热性能优化和设计提供基础。（3）功率超声设备大多在强场激励下工作,为对强场激励下的压电材料进行介电性能表征,本文使用铁电分析仪测量压电样品在强场激励下的电滞回线,通过测量电场强度E=0参考点处切线的斜率和电滞回线面积,得到不同激励信号电场强度下压电样品的等效介电系数和介电损耗因子。考虑到电滞回线法只适用于激励信号频率较低的情况,还特别对压电样品介电损耗自发热温升曲线进行多参数拟合,得到了样品在高频强电场驱动下的介电系数和损耗因子乘积ε33r×tanδe,扩展了介电性质表征的频率范围。本文对压电材料自发热特性和强场介电性质的表征方法研究将为功率超声换能器的功率特性研究和器件设计提供一定的理论和实验基础。
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