压电陶瓷全矩阵参数单样品表征方法、系统及终端与流程

本技术涉及压电材料参数测定，特别涉及一种压电陶瓷全矩阵参数单样品表征方法、系统及终端。

背景技术：

1、压电材料是一类能够实现机械能与电能相互转换的功能材料，压电材料主要包括压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物以及压电复合材料等。其中，压电陶瓷是以具有压电特性的多晶陶瓷材料为主体，压电陶瓷具有响应速度快、机电耦合性能好以及易于集成等特点，已广泛应用于聚焦超声换能器、超声诊断设备、压电传感器和能量收集器件等领域。在聚焦超声换能器中，压电陶瓷通常作为实现电信号与超声振动相互转换的核心部件，其材料性能将直接影响换能器的谐振频率、声压输出、带宽、聚焦特性及能量转换效率等。

2、压电陶瓷的材料性能通常由全矩阵参数进行描述。所述全矩阵参数包括弹性参数、介电参数、压电参数以及机电耦合系数等，各材料参数之间相互关联，共同决定压电陶瓷在电场和机械载荷作用下的响应特性。在聚焦超声换能器的结构设计和有限元仿真过程中，需要将上述全矩阵参数作为材料模型的基础输入。因此，全矩阵参数的完整性、自洽性和测量精度，直接影响聚焦超声换能器仿真结果的可靠性以及实际器件性能与设计目标之间的一致性。

3、目前，压电陶瓷全矩阵参数通常采用多样品谐振法进行表征。该方法需要按照相关标准分别制备多个具有不同尺寸及振动模式的压电陶瓷振子样品，并根据各振子样品的谐振频率、反谐振频率及阻抗特性计算相应的材料参数。为了获得较为完整的全矩阵参数，通常需要制备四个以上严格符合ieee标准的振子样品。然而，不同振动模式对振子样品的几何尺寸、极化方向和加工精度具有不同要求，部分特殊振动模式对应的振子样品尺寸较小或长宽厚比例要求较高，加工和极化难度较大，难以满足标准尺寸与精度要求。

4、并且，多样品谐振法所使用的多个振子样品可能来源于不同加工过程或不同材料批次。受材料均匀性、烧结条件、极化状态、加工误差以及内部缺陷等因素影响，不同样品之间难以避免地存在性能差异。将多个样品分别测得的参数组合为同一组全矩阵参数时，可能导致各参数之间不能满足压电材料本构关系及相关物理约束，进而出现参数不自洽的问题。采用该类全矩阵参数进行聚焦超声换能器仿真时，容易造成仿真结果与实际测试结果之间出现偏差，难以满足高精度设计要求。

5、为减小振子样品差异对全矩阵参数的影响，现有技术还提出了基于单个压电陶瓷样品的参数表征方法，即单样品表征法。该方法通常采集单个压电陶瓷样品在多个振动模式下的电阻抗或导纳特征，并通过有限元分析、等效模型计算或者参数反演获得各材料参数。由于单个样品能够避免多个样品之间的离散性，因此有利于提高各项材料参数的一致性。

6、但是，现有单样品表征法通常需要结合超声回波或者其他超声测量结果，为全矩阵参数反演提供额外的约束信息。该方法除阻抗测量设备外，还需要配置高频超声发射设备、高频超声接收设备及相应的超声耦合装置和超声校准装置，全矩阵参数测试成本较高，增加了操作及误差控制的难度。

7、若取消超声测量环节而仅根据单个样品的电学响应进行反演，则可利用的独立测量信息相对有限，而待确定的弹性参数、介电参数及压电参数数量较多，各材料参数对不同振动模式的影响还存在交叉耦合。由此形成的参数反演问题通常具有高维度、强耦合和强非线性的特点。在缺少有效参数约束、合理初始值或者全局搜索机制的情况下，反演结果容易收敛至局部最优解，或者出现多组材料参数均能近似匹配部分测量曲线的情况，导致反演结果唯一性和稳定性不足，难以兼顾测量效率与材料参数精度。

8、因此，现有压电陶瓷全矩阵参数表征技术仍难以同时满足单样品、低设备依赖、高参数自洽性及高反演精度等要求，存在全矩阵参数表征结果的准确性、稳定性和工程适用性较差的技术问题。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种压电陶瓷全矩阵参数单样品表征方法、系统及终端，用于解决现有压电陶瓷全矩阵参数表征技术中存在的测量成本高、测量效率低以及全矩阵参数表征结果准确性、稳定性和工程适用性较差的技术问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第一方面提供一种压电陶瓷全矩阵参数单样品表征方法，所述压电陶瓷全矩阵参数单样品表征方法包括：获取单个呈长方体形态的压电陶瓷振子样品；其中，所述压电陶瓷振子样品沿其厚度方向极化；对所述压电陶瓷振子样品进行电极配置以及振动测试，以获取所述压电陶瓷振子样品在多个振动模式下的电学响应，并分别计算所述压电陶瓷振子样品的第一独立弹性柔顺系数目标值、第一独立介电常数目标值、第二独立介电常数目标值以及第一独立压电系数目标值；根据所述压电陶瓷振子样品在多个振动模式下的电学响应，分别计算所述压电陶瓷振子样品的第二独立弹性柔顺系数初始值、第二独立压电系数初始值、第三独立弹性柔顺系数初始值以及第三独立压电系数初始值，并基于预构建的对称压电材料耦合振动参数表，对各初始值进行修正，获得对应的反演初值；基于预构建的对称压电材料耦合振动参数表，获取所述压电陶瓷振子样品的第四独立弹性柔顺系数反演初值以及第五独立弹性柔顺系数反演初值；根据所述压电陶瓷振子样品在多个振动模式下的电学响应，采用遗传算法分别对各反演初值进行反演优化，获得所述压电陶瓷振子样品的第二独立弹性柔顺系数目标值、第三独立弹性柔顺系数目标值、第四独立弹性柔顺系数目标值、第五独立弹性柔顺系数目标值、第二独立压电系数目标值以及第三独立压电系数目标值；根据各目标值，构建所述压电陶瓷振子样品的目标全矩阵参数。

3、于本技术的第一方面的一些实施例中，获取所述压电陶瓷振子样品后，还包括：根据所述压电陶瓷振子样品的长方体结构，建立所述压电陶瓷振子样品的材料坐标系；其中，所述材料坐标系的z轴为所述压电陶瓷振子样品的厚度方向，x轴为所述压电陶瓷振子样品的长度方向；y轴为所述压电陶瓷振子样品的宽度方向。

4、于本技术的第一方面的一些实施例中，采用阻抗分析仪对所述压电陶瓷振子样品分别进行横向振动模式、纵向振动模式以及剪切振动模式的振动测试，并获取所述压电陶瓷振子样品在各振动模式下的电学响应，以分别计算所述压电陶瓷振子样品的第一独立弹性柔顺系数目标值、第一独立介电常数目标值、第二独立介电常数目标值以及第一独立压电系数目标值，具体方式包括：采用阻抗分析仪分别测量所述压电陶瓷振子样品在第一电极布置状态下的第一阻抗频谱以及第一低频电容；其中，所述第一电极布置状态为沿z轴方向在所述压电陶瓷振子样品的两xy平面布置电极；所述压电陶瓷振子样品在横向振动模式以及纵向振动模式下的电学响应至少包括：所述第一阻抗频谱以及所述第一低频电容；根据所述第一阻抗频谱，获取所述压电陶瓷振子样品在横向振动模式下的第一谐振频率和第一反谐振频率，并结合所述第一低频电容以及所述压电陶瓷振子样品的样品密度和样品几何尺寸，分别计算所述压电陶瓷振子样品的第一独立弹性柔顺系数目标值、第一独立介电常数目标值以及第一独立压电系数目标值；采用阻抗分析仪测量所述压电陶瓷振子样品在第二电极布置状态下的第二阻抗频谱以及第二低频电容，并根据所述第二低频电容以及所述压电陶瓷振子样品的样品几何尺寸，计算所述压电陶瓷振子样品的第二独立介电常数目标值；其中，所述第二电极布置状态为沿y轴方向在所述压电陶瓷振子样品的两xz平面布置电极；所述压电陶瓷振子样品在剪切振动模式下的电学响应至少包括：所述第二阻抗频谱以及所述第二低频电容。

5、于本技术的第一方面的一些实施例中，获得多个反演初值的方式包括：根据所述第一阻抗频谱，获取所述压电陶瓷振子样品在纵向振动模式下的第二谐振频率和第二反谐振频率，并分别计算所述压电陶瓷振子样品的第二独立弹性柔顺系数初始值以及第二独立压电系数初始值；根据所述第二阻抗频谱，获取所述压电陶瓷振子样品在剪切振动模式下的第三谐振频率和第三反谐振频率，并分别计算所述压电陶瓷振子样品的第三独立弹性柔顺系数初始值以及第三独立压电系数初始值；基于预构建的对称压电材料耦合振动参数表，分别对所述第二独立弹性柔顺系数初始值、所述第二独立压电系数初始值、所述第三独立弹性柔顺系数初始值以及所述第三独立压电系数初始值进行修正，获得所述压电陶瓷振子样品的第二独立弹性柔顺系数反演初值、第二独立压电系数反演初值、第三独立弹性柔顺系数反演初值以及第三独立压电系数反演初值；将所述对称压电材料耦合振动参数表中的第四独立弹性柔顺系数经验值以及第五独立弹性柔顺系数经验值分别确定为所述压电陶瓷振子样品的第四独立弹性柔顺系数反演初值以及第五独立弹性柔顺系数反演初值。

6、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述对称压电材料耦合振动参数表至少包括：纵向振动修正系数、剪切振动修正系数、第四独立弹性柔顺系数的经验值以及第五独立弹性柔顺系数的经验值；其中，所述纵向振动修正系数至少包括：第一纵向振动修正系数以及第二纵向振动修正系数；所述剪切振动修正系数至少包括：第一剪切振动修正系数以及第二剪切振动修正系数。

7、于本技术的第一方面的一些实施例中，采用遗传算法分别对各反演初值进行反演优化的方式包括：将第二独立弹性柔顺系数、第二独立压电系数、第四独立弹性柔顺系数以及第五独立弹性柔顺系数分别作为第一待反演参数划分至第一反演参数组，并根据所述第二独立弹性柔顺系数反演初值、所述第二独立压电系数反演初值、所述第四独立弹性柔顺系数反演初值以及所述第五独立弹性柔顺系数反演初值，采用遗传算法对所述第一反演参数组内的各第一待反演参数进行组合反演，求解令预构建的第一目标函数最优的各第一待反演参数的目标值，获得第二独立弹性柔顺系数目标值、第二独立压电系数目标值、第四独立弹性柔顺系数目标值以及第五独立弹性柔顺系数目标值；将第三独立弹性柔顺系数以及第三独立压电系数分别作为第二待反演参数划分至第二反演参数组，并根据所述第三独立弹性柔顺系数反演初值以及所述第三独立压电系数反演初值，采用遗传算法对所述第二反演参数组内的各第二待反演参数进行组合反演，求解令预构建的第二目标函数最优的各第二待反演参数的目标值，获得第三独立弹性柔顺系数目标值以及第三独立压电系数目标值。

8、于本技术的第一方面的一些实施例中，采用遗传算法对每个反演参数组内的各待反演参数进行组合反演，求解令对应目标函数最优的各目标值的方式包括：对反演参数组内的每个待反演参数进行实数编码，并基于每个反演初值的预设取值范围，随机生成多个染色体个体，形成反演参数组的初始种群；基于反演参数组对应的目标函数，构建适应度函数，并基于该适应度函数，对反演参数组的初始种群执行多次遗传迭代操作，直至达到预设的迭代终止条件；当达到预设的迭代终止条件，从当代种群中筛选并确定目标染色体个体，以将所述目标染色体个体中的各实数值分别确定为各待反演参数的目标值。

9、于本技术的第一方面的一些实施例中，执行遗传迭代操作的方式包括：根据该适应度函数，分别计算当代种群中每个染色体个体的当代适应度，并根据各当代适应度，采用轮盘赌选择法结合精英保留策略，从当代种群中筛选一个精英父代染色体个体以及多个普通父代染色体个体；基于预设的基因交叉概率，采用算术交叉方式对各普通父代染色体个体进行基因重组，生成新的子代染色体个体；基于预设的基因变异概率，随机调整新生成的各子代染色体个体的基因值，优化各子代染色体个体；将所述精英父代染色体个体以及优化的各子代染色体个体分别作为下一代种群的多个染色体个体；判断是否达到预设的迭代终止条件，若未达到，则重复上述步骤，直至达到所述迭代终止条件。

10、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第二方面提供一种压电陶瓷全矩阵参数单样品表征系统，所述压电陶瓷全矩阵参数单样品表征系统包括：样品获取模块，用于获取单个呈长方体形态的压电陶瓷振子样品；其中，所述压电陶瓷振子样品沿其厚度方向极化；基础参数测定模块，与所述样品获取模块连接，用于对所述压电陶瓷振子样品进行电极配置以及振动测试，以获取所述压电陶瓷振子样品在多个振动模式下的电学响应，并分别计算所述压电陶瓷振子样品的第一独立弹性柔顺系数目标值、第一独立介电常数目标值、第二独立介电常数目标值以及第一独立压电系数目标值；初值估计模块，与所述基础参数测定模块连接，用于根据所述压电陶瓷振子样品在多个振动模式下的电学响应，分别计算所述压电陶瓷振子样品的第二独立弹性柔顺系数初始值、第二独立压电系数初始值、第三独立弹性柔顺系数初始值以及第三独立压电系数初始值，并基于预构建的对称压电材料耦合振动参数表，对各初始值进行修正，获得对应的反演初值；所述初值估计模块还用于基于预构建的对称压电材料耦合振动参数表，获取所述压电陶瓷振子样品的第四独立弹性柔顺系数反演初值以及第五独立弹性柔顺系数反演初值；反演优化模块，与所述初值估计模块连接，用于根据所述压电陶瓷振子样品在多个振动模式下的电学响应，采用遗传算法分别对各反演初值进行反演优化，获得所述压电陶瓷振子样品的第二独立弹性柔顺系数目标值、第三独立弹性柔顺系数目标值、第四独立弹性柔顺系数目标值、第五独立弹性柔顺系数目标值、第二独立压电系数目标值以及第三独立压电系数目标值；矩阵构建模块，分别与所述基础参数测定模块以及所述反演优化模块连接，用于根据各目标值，构建所述压电陶瓷振子样品的目标全矩阵参数。

11、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第三方面提供一种压电陶瓷全矩阵参数单样品表征终端，所述压电陶瓷全矩阵参数单样品表征终端包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行如上述各实施例任一项所述压电陶瓷全矩阵参数单样品表征方法。

12、如上所述，本技术具有有益效果：本技术提供一种压电陶瓷全矩阵参数单样品表征方法、系统及终端，通过采用单个满足横向振动模式尺寸要求的压电陶瓷振子样品，在不同电极布置状态下进行多种振动测试并获取电学响应；根据该电学响应，依次计算部分独立性能参数，并依据耦合振动偏差规律修正其余独立性能参数；按照各独立性能参数与不同振动模式阻抗响应之间的敏感关系及耦合关系进行分组，以多个特征频率点处模拟阻抗模值与实测阻抗模值的差异构建目标函数，采用遗传算法反演获得其余独立性能参数，进而获得全矩阵参数；从而提高各独立性能参数的同源性、自洽性、准确性、反演稳定性、求解效率及工程适用性，并降低测试成本及操作难度。