中國(guó)院聲學(xué)所ZJ-3 型精密 D33 測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本文詳細(xì)介紹了 ZJ-3 型精密 D33 測(cè)試儀，闡述其在壓電材料研究中的重要性。通過對(duì)儀器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)、操作方法、性能測(cè)試及應(yīng)用案例等方面的分析，展示了該測(cè)試儀在測(cè)量壓電材料 d33 常數(shù)方面的優(yōu)勢(shì)。研究表明，ZJ-3 型精密 D33 測(cè)試儀具有測(cè)量范圍寬、分辨率高、可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，能為壓電材料及壓電元件的生產(chǎn)、應(yīng)用與研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

ZJ-3 型測(cè)試儀；壓電材料；d33 常數(shù)；測(cè)量精度

壓電材料在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，如傳感器、執(zhí)行器、超聲換能器等。準(zhǔn)確測(cè)量壓電材料的性能參數(shù)對(duì)于其應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要。d33 常數(shù)作為壓電材料的重要參數(shù)之一，反映了材料在縱向受力時(shí)產(chǎn)生電荷的能力。ZJ-3 型精密 D33 測(cè)試儀是專門為測(cè)量壓電材料的 d33 常數(shù)而設(shè)計(jì)的儀器，其性能直接影響到對(duì)壓電材料性能評(píng)估的準(zhǔn)確性。本文將對(duì) ZJ-3 型精密 D33 測(cè)試儀進(jìn)行深入研究，介紹其工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)、操作方法、性能測(cè)試及應(yīng)用案例等方面的內(nèi)容。

2.1 壓電材料與 d33 常數(shù)

2.2 ZJ-3 型測(cè)試儀的研發(fā)背景與意義

三、工作原理

正壓電效應(yīng)是 ZJ-3 型精密 D33 測(cè)試儀工作的基礎(chǔ)原理。當(dāng)壓電材料受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，從而在材料的表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷。這種電荷的產(chǎn)生與外力的大小和方向密切相關(guān)。根據(jù)壓電方程，對(duì)于各向異性的壓電材料，其電位移與應(yīng)力之間存在線性關(guān)系，在縱向受力情況下，d33 常數(shù)與電位移和應(yīng)力的關(guān)系可表示為：D3=d33T3，其中D3為電位移，T3為縱向應(yīng)力。這一關(guān)系表明，在已知應(yīng)力的情況下，通過測(cè)量電位移即可計(jì)算出 d33 常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)在壓電材料試樣上施加一個(gè)垂直于其極化方向的外力時(shí)，根據(jù)正壓電效應(yīng)，在與極化方向垂直的兩個(gè)表面上會(huì)產(chǎn)生等量異號(hào)的電荷。這些電荷的多少與施加的外力大小成正比，與材料的 d33 常數(shù)也成正比。例如，對(duì)于一塊壓電陶瓷試樣，當(dāng)在其厚度方向上施加壓力時(shí)，在試樣的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生電荷，通過測(cè)量這些電荷的密度，結(jié)合施加的壓力大小，就可以利用上述公式計(jì)算出該壓電陶瓷的 d33 常數(shù)。

ZJ-3 型精密 D33 測(cè)試儀采用準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量方法來測(cè)量壓電材料的 d33 常數(shù)。在儀器測(cè)量頭內(nèi)，一個(gè)頻率約為 110Hz、大小約為 0.25N 的低頻交變力，通過上下探頭均勻地施加到標(biāo)準(zhǔn)樣品與被測(cè)試樣上。根據(jù)正壓電效應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)樣品和被測(cè)試樣在受到外力作用時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。這兩個(gè)電信號(hào)首先經(jīng)過高靈敏度的電荷放大器進(jìn)行放大，以提高信號(hào)的強(qiáng)度，便于后續(xù)處理。放大后的信號(hào)再經(jīng)過檢波電路，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，以便于測(cè)量和分析。之后，通過相除電路對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，消除由于外力波動(dòng)、環(huán)境干擾等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。經(jīng)過上述必要的處理后，最終將代表被測(cè)試樣 d33 常數(shù)大小及極性的信號(hào)送至三位半數(shù)字面板表上直接顯示。在測(cè)量過程中，為了滿足測(cè)量 d33 常數(shù)時(shí)的恒定電場(chǎng)邊界條件，在儀器測(cè)量頭內(nèi)，與被測(cè)試樣并聯(lián)了一個(gè)比試樣電容大很多（如大 100 倍）的大電容。這樣可以保證在測(cè)量過程中，電場(chǎng)強(qiáng)度基本保持恒定，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。這種準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量方法相較于通常的靜態(tài)法，能夠有效減小由于壓電非線性及熱釋電效應(yīng)帶來的測(cè)量誤差。靜態(tài)法由于存在這些因素的影響，測(cè)量誤差可達(dá) 30% - 50%，而 ZJ-3 型測(cè)試儀采用的準(zhǔn)靜態(tài)法能夠?qū)y(cè)量誤差控制在較小范圍內(nèi)，提高了測(cè)量結(jié)果的可靠性。

4.1 整體結(jié)構(gòu)布局

1. 五、技術(shù)參數(shù)

ZJ-3 型精密 D33 測(cè)試儀具有較寬的 d33 測(cè)量范圍，分為兩檔：

• ×1 擋：測(cè)量范圍為 10 到 2000pC/N，可升級(jí)至 20 至 4000pC/N，甚至能夠進(jìn)一步升級(jí)到 10000pC/N。這一范圍能夠滿足大多數(shù)具有較大壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料的測(cè)量需求。在實(shí)際應(yīng)用中，許多常用的壓電陶瓷材料的 d33 常數(shù)都在這個(gè)范圍內(nèi)，例如 PZT 系列壓電陶瓷，其 d33 常數(shù)通常在幾百到幾千 pC/N 之間，ZJ-3 型測(cè)試儀的 ×1 擋能夠?qū)ζ溥M(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

• ×0.1 擋：測(cè)量范圍為 1 到 200pC/N，可擴(kuò)展至 2 至 400pC/N。該擋位主要用于測(cè)量小壓電常數(shù)的壓電單晶及壓電高分子材料。一些新型的壓電單晶材料或壓電高分子材料，其 d33 常數(shù)相對(duì)較小，在幾 pC/N 到幾十 pC/N 之間，×0.1 擋能夠滿足對(duì)這類材料的精確測(cè)量要求。較寬的測(cè)量范圍使得 ZJ-3 型測(cè)試儀能夠適應(yīng)不同類型、不同性能壓電材料的測(cè)量需求，具有廣泛的適用性。

測(cè)試儀在不同擋位下具有高分辨率：




• ×1 擋：分辨率為 1pC/N。這意味著在該擋位下，測(cè)試儀能夠精確分辨出 d33 常數(shù)的微小變化，即使 d33 常數(shù)的變化量?jī)H為 1pC/N，測(cè)試儀也能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到并在顯示面板上體現(xiàn)出來。這種高分辨率對(duì)于測(cè)量具有較大 d33 常數(shù)且需要精確測(cè)量其細(xì)微變化的壓電材料非常重要，例如在研究壓電陶瓷材料的性能優(yōu)化過程中，可能需要觀察 d33 常數(shù)隨著制備工藝參數(shù)改變而發(fā)生的微小變化，×1 擋的高分辨率能夠滿足這一需求。

• ×0.1 擋：分辨率為 0.1pC/N。在測(cè)量小壓電常數(shù)的材料時(shí)，×0.1 擋的高分辨率能夠確保對(duì)微小 d33 常數(shù)的精確測(cè)量。對(duì)于那些 d33 常數(shù)在幾 pC/N 到幾十 pC/N 范圍內(nèi)的壓電單晶或壓電高分子材料，0.1pC/N 的分辨率能夠提供非常準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，為研究這類材料的壓電性能提供可靠的數(shù)據(jù)支持。高分辨率保證了測(cè)試儀能夠?qū)弘姴牧系?d33 常數(shù)進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

ZJ-3 型測(cè)試儀在不同測(cè)量范圍內(nèi)具有嚴(yán)格控制的誤差范圍：




• ×1 擋：當(dāng) d33 在 100 到 4000pC/N 時(shí)，誤差為 ±2%±1 個(gè)數(shù)字。例如，當(dāng)測(cè)量一個(gè) d33 常數(shù)為 1000pC/N 的壓電材料試樣時(shí)，根據(jù)誤差范圍，測(cè)量結(jié)果可能在 1000×(1 - 2%) - 1 到 1000×(1 + 2%) + 1 之間，即 979 到 1021pC/N 之間。當(dāng) d33 在 10 到 200pC/N 時(shí)，誤差為 ±5%±1 個(gè)數(shù)字。這是因?yàn)樵谳^低的 d33 常數(shù)范圍內(nèi)，測(cè)量難度相對(duì)較大，外界干擾因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響相對(duì)更明顯，所以誤差范圍適當(dāng)放寬，但仍能保證在可接受的范圍內(nèi)，以確保測(cè)量結(jié)果的可靠性。

• ×0.1 擋：當(dāng) d33 在 10 到 200pC/N 時(shí)，誤差為 ±2%±1 個(gè)數(shù)字。在該擋位下，對(duì)于小壓電常數(shù)材料的測(cè)量，能夠保證較高的測(cè)量精度，誤差控制在較小范圍內(nèi)，為研究小壓電常數(shù)材料的性能提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。嚴(yán)格控制的誤差范圍表明 ZJ-3 型測(cè)試儀具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確性，能夠?yàn)閴弘姴牧系难芯亢蛻?yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

• 尺寸：施力裝置尺寸為 Φ110×140mm，儀器本體尺寸為 240×200×80mm。這樣的尺寸設(shè)計(jì)使得儀器整體結(jié)構(gòu)緊湊，既方便操作，又便于攜帶和安裝。施力裝置的尺寸設(shè)計(jì)能夠保證其穩(wěn)定地施加外力，同時(shí)不會(huì)占用過多空間；儀器本體的尺寸設(shè)計(jì)兼顧了內(nèi)部電子元器件的布局和散熱需求，以及操作人員對(duì)儀器操作的便捷性。

• 重量：施力裝置約 4 公斤，儀器本體 2 公斤。較輕的重量使得儀器在使用和搬運(yùn)過程中更加方便，無論是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行常規(guī)測(cè)量，還是需要在不同地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，都能夠輕松移動(dòng)和部署。

• 電源：使用 220 伏，50 赫的交流電源，功率為 20 瓦。這種常見的電源規(guī)格使得儀器能夠方便地接入各種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的供電系統(tǒng)，20 瓦的低功率設(shè)計(jì)既滿足了儀器正常工作的需求，又具有較低的能耗，節(jié)能環(huán)保。

6.1 測(cè)試前準(zhǔn)備

1. 6.2 測(cè)量過程操作步驟

2. <ol class="auto-hide-last-sibling-br list-paddingleft-2" segoe="" ui",="" "sf="" pro="" sc",="" display",="" icons",="" "pingfang="" "hiragino="" sans="" gb",="" "microsoft="" yahei",="" "helvetica="" neue",="" helvetica,="" arial,="" sans-serif;="" font-size:="" 16px;="" background-color:="" rgb(255,="" 255,="" 255);="" margin-top:="" var(--md-box-samantha-li-margin)="" !important;"="" style="box-sizing: border-box; padding: 0px 0px 0px 20px; font-family: "PingFang SC", Helvetica, "Microsoft YaHei", Arial, "sans-serif"; line-height: inherit; vertical-align: baseline; background: rgb(255, 255, 255); -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); appearance: none; list-style: outside none none; -webkit-font-smoothing: antialiased; overflow-anchor: auto; color: rgb(34, 34, 34);">

3. 參數(shù)設(shè)置：根據(jù)被測(cè)試樣的估計(jì) d33 常數(shù)大小，選擇合適的測(cè)量擋位。如果估計(jì) d33 常數(shù)較大，在 100pC/N 以上，可選擇 ×1 擋；如果估計(jì) d33 常數(shù)較小，在 100pC/N 以下，可選擇 ×0.1 擋。將儀器后面板上的 “d33 - 力" 選擇開關(guān)置于 “d33" 一側(cè)，確保儀器處于 d33 常數(shù)測(cè)量模式。

4. 儀器預(yù)熱：打開儀器電源，讓儀器通電預(yù)熱 10min。在預(yù)熱過程中，儀器內(nèi)部的電子元器件逐漸達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，能夠提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。預(yù)熱時(shí)間結(jié)束后，儀器方可進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

5. 調(diào)零操作：調(diào)節(jié)儀器前面板上的調(diào)零旋鈕，使面板表指示在 “0" 與 “ - 0" 之間。調(diào)零操作是為了消除儀器的零點(diǎn)漂移誤差，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在調(diào)零過程中，要確保測(cè)量頭沒有施加外力，處于空載狀態(tài)。

6. 試樣測(cè)量：將安裝好試樣的施力裝置放置在儀器的測(cè)量位置上，輕輕壓下測(cè)量頭的膠木板，使測(cè)量探頭與試樣緊密接觸。此時(shí)，施力裝置會(huì)向試樣施加一個(gè)約 0.25N、頻率為 110Hz 的低頻交變力。由正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的