專利名稱：壓電材料性能參數表征方法
壓電材料性能參數表征方法
技術領域：
本發明涉及壓電材料性能參數表征，尤其涉及一種壓電材料性能參數表征方法。背景技術：
目前，廣泛用于壓電材料參數表征的方法為IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國電氣和電子工程師協會)標準方法，該方法忽略了材料的損 耗特性，因此不適于估算高損耗壓電材料參數也有提出的方法中考慮了材料的損耗特性， 但是精度欠佳，一般計算值高于實際測量值。并且，傳統的方法受限于三個任意選取的初始 頻率點，并且對迭代參數初始值的選取敏感。另有基于Gauss-Newton(高斯-牛頓)理論 的擬合方法，由于Gauss-Newton是一種局部迭代算法，對變量初始值的選取敏感，易陷入 局部極小值或迭代結果發散，只有在迭代初始值選取非常接近準確值的條件下，才能得到 較精確的結果，該算法對變量初始值選取的敏感性制約了對未知材料的參數表征。
發明內容基于此，有必要提供一種可應用于高損耗壓電材料，且能提高參數表征精度的壓 電材料性能參數表征方法。一種壓電材料性能參數表征方法，包括以下步驟采集壓電材料的物理參數；根據所述物理參數構建目標函數；測量壓電材料的電子阻抗共振特性，并根據所述電子阻抗共振特性和材料本身的 損耗特性約束目標函數的可行域；根據目標函數確定性能參數；對所述性能參數進行判斷；輸出所述性能參數。在優選的實施方式中，所述測量壓電材料的電子阻抗共振特性，并根據所述電子 阻抗共振特性和材料本身的損耗特性約束目標函數的可行域步驟包括以下步驟測量壓電材料的電子阻抗特性，找出所述壓電材料的諧振頻率和反諧振頻率；根據所述諧振頻率和反諧振頻率及材料本身的損耗特性約束目標函數的可行域。在優選的實施方式中，根據目標函數確定性能參數步驟包括如下步驟設置控制參數衰減函數、壓電材料的性能參數及控制參數衰減函數衰減一次的最 大迭代次數的初始值；根據新解生成函數確定性能參數。在優選的實施方式中，所述控制參數衰減函數的表達式為T (k+1) = T (k) * α，其 中，k為函數的自變量、α為衰減參數。在優選的實施方式中，所述新解生成函數的表達式為x(n+l) = X(n)+S*r*X(n)，n 為函數的自變量，r為取自區間
的隨機值，s決定解空間的鄰域關系，X(n)為當前最 優解，x(n-l)為前一時刻的最優解。
在優選的實施方式中，所述對壓電材料的性能參數進行判斷步驟還包括如下步 驟對所述壓電材料的性能參數進行Metropolis判斷；對所述壓電材料的性能參數進行局部平衡判斷；對所述壓電材料的性能參數進行全局平衡判斷。在優選的實施方式中，所述Metropolis判斷執行過程為當所述壓電材料的性能參數使得所述目標函數減少時，WP = I的概率接受所述 壓電材料的性能參數；當所述壓電材料的性能參數使得所述目標函數增加時，以P = e-UF/T)的概率接受 所述壓電材料的性能參數；當P > r時，接受所述壓電材料的性能參數；當P < r時，拒絕接受所述壓電材料的性能參數，重設所述壓電材料的性能參數及 控制參數衰減函數的初值；其中，P為接受概率、e為自然數、AF為目標函數的變化量、T為控制參數衰減函 數、r為取自區間
的隨機值。在優選的實施方式中，所述局部平衡判斷執行過程為當η彡L時，達到局部平衡，控制參數衰減函數T (k)開始衰減；當η < L時，未達到局部平衡，繼續進行本次T (k)的隨機搜索；其中，η為控制參數衰減函數衰減一次的實際迭代次數、L為控制參數衰減函數衰 減一次的最大迭代次數。在優選的實施方式中，所述全局平衡判斷執行過程為當所述目標函數的當前最優解x(n)與前一時刻的最優解x(n-l)的變化小于預定 的容差時，全局平衡，輸出所述性能參數；當所述目標函數的當前最優解x(n)與前一時刻的最優解x(n-l)的變化大于或等 于預定的容差時，全局不平衡，重設控制參數衰減函數的初值。上述壓電材料性能參數表征方法中，通過對壓電材料的性能參數進行搜索，然后 對性能參數進行判斷，避免了初始值選取對于高損耗壓電材料參數表征結果的的影響，因 此可應用于包括具有高損耗特性的各種未知壓電材料的參數表征，且具有很高參數表征精度。
圖1為壓電材料性能參數表征方法；圖2 (a)為一實施例的厚度振動模式；圖2 (b)為另一實施例的厚度振動模式；圖3 (a)為一實施例的長度振動模式；圖3 (b)為另一實施例的長度振動模式；圖4為一實施例的長度-厚度振動模式；圖5為一實施例的長度剪切振動模式；圖6為一實施例的厚度剪切振動模式；
圖7為一實施例的旋轉厚度振動模式；圖8為一實施例的測量壓電材料的阻抗特性，并根據所述阻抗特性和材料本身的 損耗特性約束目標函數的范圍具體流程圖；圖9為一實施例的根據目標函數確定性能參數具體流程圖；圖10為一實施例的對所述性能參數進行判斷具體流程圖。
具體實施方式如圖1所示的壓電材料性能參數表征方法，包括以下步驟步驟S110，采集壓電材料的物理參數。物理參數是指振子厚度t，振子電極面面積 A或振子密度P，如下面的公式(4)所述。步驟S120，根據所述物理參數構建目標函數。可以通過計算機、ARM (Advanced RISC Machines)、DSP(Digital Signal Processor)或其他可以進行運算的模塊構建目標 函數。當壓電材料的物理參數被確定后，計算單元內部構建相應的目標函數。如圖2(a)，當 wl彡10t,w2彡IOt時，wl表示壓電材料的長度，w2表示壓電材料的寬度，t表示壓電材料 的高度，箭頭表示極化方向，或如圖2(b)，當w3 ^ 20t時，w3表示壓電材料的直徑，箭頭表 示極化方向，可采用厚度振動模式，壓電材料的等應變介電常數為<3、厚度機電耦合系數 為kt、開路彈性常數為Cf3。則復數形式的等應變介電常數為、厚度機電耦合系數為<、開 路彈性常數為cf/,則分別用式(1)、(2)和(3)來表示，虛部^表示等應變介電常數的損耗 特性，<表示厚度機電耦合系數的損耗特性，cf3'表示開路彈性常數的損耗特性。
權利要求
1.一種壓電材料性能參數表征方法，包括以下步驟 采集壓電材料的物理參數；根據所述物理參數構建目標函數；測量壓電材料的電子阻抗共振特性，并根據所述電子阻抗共振特性和材料本身的損耗 特性約束目標函數的可行域； 根據目標函數確定性能參數； 對所述性能參數進行判斷； 輸出所述性能參數。
2.根據權利要求1所述的壓電材料性能參數表征方法，其特征在于，所述測量壓電材 料的電子阻抗共振特性，并根據所述電子阻抗共振特性和材料本身的損耗特性約束目標函 數的可行域步驟包括以下步驟測量壓電材料的電子阻抗特性，找出所述壓電材料的諧振頻率和反諧振頻率； 根據所述諧振頻率和反諧振頻率及材料本身的損耗特性約束目標函數的可行域。
3.根據權利要求1所述的壓電材料性能參數表征方法，其特征在于，根據目標函數確 定性能參數步驟包括如下步驟設置控制參數衰減函數、壓電材料的性能參數及控制參數衰減函數衰減一次的最大迭 代次數的初始值；根據新解生成函數確定性能參數。
4.根據權利要求3所述的壓電材料性能參數表征方法，其特征在于，所述控制參數衰 減函數的表達式為T (k+1) =T(k)*a，其中，k為函數的自變量、α為衰減參數。
5.根據權利要求3所述的壓電材料性能參數表征方法，其特征在于，所述新解生成函 數的表達式為x(n+l) =x(n)+s*r*x(n)，n為函數的自變量，r為取自區間W，1]的隨機值， s決定解空間的鄰域關系，X(n)為當前最優解，x(n-l)為前一時刻的最優解。
6.根據權利要求1所述的壓電材料性能參數表征方法，其特征在于，所述對壓電材料 的性能參數進行判斷步驟還包括如下步驟對所述壓電材料的性能參數進行Metropolis判斷； 對所述壓電材料的性能參數進行局部平衡判斷； 對所述壓電材料的性能參數進行全局平衡判斷。
7.根據權利要求6所述的壓電材料性能參數表征方法，其特征在于，所述Metropolis 判斷執行過程為當所述壓電材料的性能參數使得所述目標函數減少時，WP = I的概率接受所述壓電 材料的性能參數；當所述壓電材料的性能參數使得所述目標函數增加時，以P = e_UF/T)的概率接受所述 壓電材料的性能參數；當P > r時，接受所述壓電材料的性能參數；當P < r時，拒絕接受所述壓電材料的性能參數，重設所述壓電材料的性能參數及控制 參數衰減函數的初值；其中，P為接受概率、e為自然數、AF為目標函數的變化量、T為控制參數衰減函數、r 為取自區間
的隨機值。
8.根據權利要求6所述的壓電材料性能參數表征方法，其特征在于，所述局部平衡判 斷執行過程為當η ≥ L時，達到局部平衡，控制參數衰減函數T (k)開始衰減； 當η < L時，未達到局部平衡，繼續進行本次T (k)的隨機搜索； 其中，η為控制參數衰減函數衰減一次的實際迭代次數、L為控制參數衰減函數衰減一 次的最大迭代次數。
9.根據權利要求6所述的壓電材料性能參數表征方法，其特征在于，所述全局平衡判 斷執行過程為當所述目標函數的當前最優解x(n)與前一時刻的最優解x(n-l)的變化小于預定的容 差時，全局平衡，輸出所述性能參數；當所述目標函數的當前最優解x(n)與前一時刻的最優解x(n-l)的變化大于或等于預 定的容差時，全局不平衡，重設控制參數衰減函數的初值。
全文摘要
一種壓電材料性能參數表征方法，包括以下步驟采集壓電材料的物理參數；根據所述物理參數構建目標函數；測量壓電材料的電子阻抗共振特性，并根據所述電子阻抗共振特性和材料本身的損耗特性約束目標函數的可行域；根據目標函數確定性能參數；對所述性能參數進行判斷；輸出所述性能參數。上述壓電材料性能參數表征方法中，通過對壓電材料的性能參數進行搜索，然后對性能參數進行判斷，避免了初始值選取對于高損耗壓電材料參數表征結果的的影響，因此可應用于包括具有高損耗特性的各種未知壓電材料的參數表征，且具有很高參數表征精度。
文檔編號G01R31/00GK102095949SQ20101027590
公開日2011年6月15日 申請日期2010年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者吳正斌, 徐國卿, 董洋洋 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院