專利名稱：壓電材料性能參數(shù)表征方法
壓電材料性能參數(shù)表征方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電材料性能參數(shù)表征，尤其涉及一種壓電材料性能參數(shù)表征方法。背景技術(shù)：
目前，廣泛用于壓電材料參數(shù)表征的方法為IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國電氣和電子工程師協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(tǒng)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(shù)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(jié)果發(fā)散，只有在迭代初始值選取非常接近準(zhǔn)確值的條件下，才能得到 較精確的結(jié)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(shù)表征。

發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供一種可應(yīng)用于高損耗壓電材料，且能提高參數(shù)表征精度的壓 電材料性能參數(shù)表征方法。一種壓電材料性能參數(shù)表征方法，包括以下步驟采集壓電材料的物理參數(shù)；根據(jù)所述物理參數(shù)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)；測量壓電材料的電子阻抗共振特性，并根據(jù)所述電子阻抗共振特性和材料本身的 損耗特性約束目標(biāo)函數(shù)的可行域；根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定性能參數(shù)；對所述性能參數(shù)進行判斷；輸出所述性能參數(shù)。在優(yōu)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(jù)所述電子 阻抗共振特性和材料本身的損耗特性約束目標(biāo)函數(shù)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(jù)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(biāo)函數(shù)的可行域。在優(yōu)選的實施方式中，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定性能參數(shù)步驟包括如下步驟設(shè)置控制參數(shù)衰減函數(shù)、壓電材料的性能參數(shù)及控制參數(shù)衰減函數(shù)衰減一次的最 大迭代次數(shù)的初始值；根據(jù)新解生成函數(shù)確定性能參數(shù)。在優(yōu)選的實施方式中，所述控制參數(shù)衰減函數(shù)的表達式為T (k+1) = T (k) * α，其 中，k為函數(shù)的自變量、α為衰減參數(shù)。在優(yōu)選的實施方式中，所述新解生成函數(shù)的表達式為x(n+l) = X(n)+S*r*X(n)，n 為函數(shù)的自變量，r為取自區(qū)間
的隨機值，s決定解空間的鄰域關(guān)系，X(n)為當(dāng)前最 優(yōu)解，x(n-l)為前一時刻的最優(yōu)解。
在優(yōu)選的實施方式中，所述對壓電材料的性能參數(shù)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(shù)進行Metropolis判斷；對所述壓電材料的性能參數(shù)進行局部平衡判斷；對所述壓電材料的性能參數(shù)進行全局平衡判斷。在優(yōu)選的實施方式中，所述Metropolis判斷執(zhí)行過程為當(dāng)所述壓電材料的性能參數(shù)使得所述目標(biāo)函數(shù)減少時，WP = I的概率接受所述 壓電材料的性能參數(shù)；當(dāng)所述壓電材料的性能參數(shù)使得所述目標(biāo)函數(shù)增加時，以P = e-UF/T)的概率接受 所述壓電材料的性能參數(shù)；當(dāng)P > r時，接受所述壓電材料的性能參數(shù)；當(dāng)P < r時，拒絕接受所述壓電材料的性能參數(shù)，重設(shè)所述壓電材料的性能參數(shù)及 控制參數(shù)衰減函數(shù)的初值；其中，P為接受概率、e為自然數(shù)、AF為目標(biāo)函數(shù)的變化量、T為控制參數(shù)衰減函 數(shù)、r為取自區(qū)間
的隨機值。在優(yōu)選的實施方式中，所述局部平衡判斷執(zhí)行過程為當(dāng)η彡L時，達到局部平衡，控制參數(shù)衰減函數(shù)T (k)開始衰減；當(dāng)η < L時，未達到局部平衡，繼續(xù)進行本次T (k)的隨機搜索；其中，η為控制參數(shù)衰減函數(shù)衰減一次的實際迭代次數(shù)、L為控制參數(shù)衰減函數(shù)衰 減一次的最大迭代次數(shù)。在優(yōu)選的實施方式中，所述全局平衡判斷執(zhí)行過程為當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解x(n)與前一時刻的最優(yōu)解x(n-l)的變化小于預(yù)定 的容差時，全局平衡，輸出所述性能參數(shù)；當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解x(n)與前一時刻的最優(yōu)解x(n-l)的變化大于或等 于預(yù)定的容差時，全局不平衡，重設(shè)控制參數(shù)衰減函數(shù)的初值。上述壓電材料性能參數(shù)表征方法中，通過對壓電材料的性能參數(shù)進行搜索，然后 對性能參數(shù)進行判斷，避免了初始值選取對于高損耗壓電材料參數(shù)表征結(jié)果的的影響，因 此可應(yīng)用于包括具有高損耗特性的各種未知壓電材料的參數(shù)表征，且具有很高參數(shù)表征精度。

圖1為壓電材料性能參數(shù)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(zhuǎn)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(jù)所述阻抗特性和材料本身的 損耗特性約束目標(biāo)函數(shù)的范圍具體流程圖；圖9為一實施例的根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定性能參數(shù)具體流程圖；圖10為一實施例的對所述性能參數(shù)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(shù)表征方法，包括以下步驟步驟S110，采集壓電材料的物理參數(shù)。物理參數(shù)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(jù)所述物理參數(shù)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)?？梢酝ㄟ^計算機、ARM (Advanced RISC Machines)、DSP(Digital Signal Processor)或其他可以進行運算的模塊構(gòu)建目標(biāo) 函數(shù)。當(dāng)壓電材料的物理參數(shù)被確定后，計算單元內(nèi)部構(gòu)建相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。如圖2(a)，當(dāng) 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(dāng)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(yīng)變介電常數(shù)為<3、厚度機電耦合系數(shù) 為kt、開路彈性常數(shù)為Cf3。則復(fù)數(shù)形式的等應(yīng)變介電常數(shù)為、厚度機電耦合系數(shù)為<、開 路彈性常數(shù)為cf/,則分別用式(1)、(2)和(3)來表示，虛部^表示等應(yīng)變介電常數(shù)的損耗 特性，<表示厚度機電耦合系數(shù)的損耗特性，cf3'表示開路彈性常數(shù)的損耗特性。
權(quán)利要求
1.一種壓電材料性能參數(shù)表征方法，包括以下步驟 采集壓電材料的物理參數(shù)；根據(jù)所述物理參數(shù)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)；測量壓電材料的電子阻抗共振特性，并根據(jù)所述電子阻抗共振特性和材料本身的損耗 特性約束目標(biāo)函數(shù)的可行域； 根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定性能參數(shù)； 對所述性能參數(shù)進行判斷； 輸出所述性能參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電材料性能參數(shù)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(jù)所述電子阻抗共振特性和材料本身的損耗特性約束目標(biāo)函 數(shù)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(jù)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(biāo)函數(shù)的可行域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電材料性能參數(shù)表征方法，其特征在于，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確 定性能參數(shù)步驟包括如下步驟設(shè)置控制參數(shù)衰減函數(shù)、壓電材料的性能參數(shù)及控制參數(shù)衰減函數(shù)衰減一次的最大迭 代次數(shù)的初始值；根據(jù)新解生成函數(shù)確定性能參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電材料性能參數(shù)表征方法，其特征在于，所述控制參數(shù)衰 減函數(shù)的表達式為T (k+1) =T(k)*a，其中，k為函數(shù)的自變量、α為衰減參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電材料性能參數(shù)表征方法，其特征在于，所述新解生成函 數(shù)的表達式為x(n+l) =x(n)+s*r*x(n)，n為函數(shù)的自變量，r為取自區(qū)間W，1]的隨機值， s決定解空間的鄰域關(guān)系，X(n)為當(dāng)前最優(yōu)解，x(n-l)為前一時刻的最優(yōu)解。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電材料性能參數(shù)表征方法，其特征在于，所述對壓電材料 的性能參數(shù)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(shù)進行Metropolis判斷； 對所述壓電材料的性能參數(shù)進行局部平衡判斷； 對所述壓電材料的性能參數(shù)進行全局平衡判斷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電材料性能參數(shù)表征方法，其特征在于，所述Metropolis 判斷執(zhí)行過程為當(dāng)所述壓電材料的性能參數(shù)使得所述目標(biāo)函數(shù)減少時，WP = I的概率接受所述壓電 材料的性能參數(shù)；當(dāng)所述壓電材料的性能參數(shù)使得所述目標(biāo)函數(shù)增加時，以P = e_UF/T)的概率接受所述 壓電材料的性能參數(shù)；當(dāng)P > r時，接受所述壓電材料的性能參數(shù)；當(dāng)P < r時，拒絕接受所述壓電材料的性能參數(shù)，重設(shè)所述壓電材料的性能參數(shù)及控制 參數(shù)衰減函數(shù)的初值；其中，P為接受概率、e為自然數(shù)、AF為目標(biāo)函數(shù)的變化量、T為控制參數(shù)衰減函數(shù)、r 為取自區(qū)間
的隨機值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電材料性能參數(shù)表征方法，其特征在于，所述局部平衡判 斷執(zhí)行過程為當(dāng)η ≥ L時，達到局部平衡，控制參數(shù)衰減函數(shù)T (k)開始衰減； 當(dāng)η < L時，未達到局部平衡，繼續(xù)進行本次T (k)的隨機搜索； 其中，η為控制參數(shù)衰減函數(shù)衰減一次的實際迭代次數(shù)、L為控制參數(shù)衰減函數(shù)衰減一 次的最大迭代次數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電材料性能參數(shù)表征方法，其特征在于，所述全局平衡判 斷執(zhí)行過程為當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解x(n)與前一時刻的最優(yōu)解x(n-l)的變化小于預(yù)定的容 差時，全局平衡，輸出所述性能參數(shù)；當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解x(n)與前一時刻的最優(yōu)解x(n-l)的變化大于或等于預(yù) 定的容差時，全局不平衡，重設(shè)控制參數(shù)衰減函數(shù)的初值。
全文摘要
一種壓電材料性能參數(shù)表征方法，包括以下步驟采集壓電材料的物理參數(shù)；根據(jù)所述物理參數(shù)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)；測量壓電材料的電子阻抗共振特性，并根據(jù)所述電子阻抗共振特性和材料本身的損耗特性約束目標(biāo)函數(shù)的可行域；根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定性能參數(shù)；對所述性能參數(shù)進行判斷；輸出所述性能參數(shù)。上述壓電材料性能參數(shù)表征方法中，通過對壓電材料的性能參數(shù)進行搜索，然后對性能參數(shù)進行判斷，避免了初始值選取對于高損耗壓電材料參數(shù)表征結(jié)果的的影響，因此可應(yīng)用于包括具有高損耗特性的各種未知壓電材料的參數(shù)表征，且具有很高參數(shù)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(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者吳正斌, 徐國卿, 董洋洋 申請人:中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院