中國院聲學所ZJ-3 型精密 D33 測試儀的設計與應用

本文詳細介紹了 ZJ-3 型精密 D33 測試儀，闡述其在壓電材料研究中的重要性。通過對儀器的工作原理、結構設計、技術參數(shù)、操作方法、性能測試及應用案例等方面的分析，展示了該測試儀在測量壓電材料 d33 常數(shù)方面的優(yōu)勢。研究表明，ZJ-3 型精密 D33 測試儀具有測量范圍寬、分辨率高、可靠性強、操作簡便等特點，能為壓電材料及壓電元件的生產、應用與研究提供準確的數(shù)據(jù)支持，推動相關領域的發(fā)展。

ZJ-3 型測試儀；壓電材料；d33 常數(shù)；測量精度

壓電材料在現(xiàn)代科技領域中具有廣泛的應用，如傳感器、執(zhí)行器、超聲換能器等。準確測量壓電材料的性能參數(shù)對于其應用和發(fā)展至關重要。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產生電荷的能力。ZJ-3 型精密 D33 測試儀是專門為測量壓電材料的 d33 常數(shù)而設計的儀器，其性能直接影響到對壓電材料性能評估的準確性。本文將對 ZJ-3 型精密 D33 測試儀進行深入研究，介紹其工作原理、結構設計、技術參數(shù)、操作方法、性能測試及應用案例等方面的內容。

2.1 壓電材料與 d33 常數(shù)

2.2 ZJ-3 型測試儀的研發(fā)背景與意義

三、工作原理

正壓電效應是 ZJ-3 型精密 D33 測試儀工作的基礎原理。當壓電材料受到外力作用時，其內部的晶體結構會發(fā)生變形，導致正負電荷中心發(fā)生相對位移，從而在材料的表面產生感應電荷。這種電荷的產生與外力的大小和方向密切相關。根據(jù)壓電方程，對于各向異性的壓電材料，其電位移與應力之間存在線性關系，在縱向受力情況下，d33 常數(shù)與電位移和應力的關系可表示為：D3=d33T3，其中D3為電位移，T3為縱向應力。這一關系表明，在已知應力的情況下，通過測量電位移即可計算出 d33 常數(shù)。在實際測量中，當在壓電材料試樣上施加一個垂直于其極化方向的外力時，根據(jù)正壓電效應，在與極化方向垂直的兩個表面上會產生等量異號的電荷。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，對于一塊壓電陶瓷試樣，當在其厚度方向上施加壓力時，在試樣的兩個表面會產生電荷，通過測量這些電荷的密度，結合施加的壓力大小，就可以利用上述公式計算出該壓電陶瓷的 d33 常數(shù)。

ZJ-3 型精密 D33 測試儀采用準靜態(tài)測量方法來測量壓電材料的 d33 常數(shù)。在儀器測量頭內，一個頻率約為 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準樣品與被測試樣上。根據(jù)正壓電效應，標準樣品和被測試樣在受到外力作用時，都會產生相應的電信號。這兩個電信號首先經(jīng)過高靈敏度的電荷放大器進行放大，以提高信號的強度，便于后續(xù)處理。放大后的信號再經(jīng)過檢波電路，將交流信號轉換為直流信號，以便于測量和分析。之后，通過相除電路對兩個信號進行處理，消除由于外力波動、環(huán)境干擾等因素對測量結果的影響。經(jīng)過上述必要的處理后，最終將代表被測試樣 d33 常數(shù)大小及極性的信號送至三位半數(shù)字面板表上直接顯示。在測量過程中，為了滿足測量 d33 常數(shù)時的恒定電場邊界條件，在儀器測量頭內，與被測試樣并聯(lián)了一個比試樣電容大很多（如大 100 倍）的大電容。這樣可以保證在測量過程中，電場強度基本保持恒定，從而提高測量的準確性。這種準靜態(tài)測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帶來的測量誤差。靜態(tài)法由于存在這些因素的影響，測量誤差可達 30% - 50%，而 ZJ-3 型測試儀采用的準靜態(tài)法能夠將測量誤差控制在較小范圍內，提高了測量結果的可靠性。

4.1 整體結構布局

1. 五、技術參數(shù)

ZJ-3 型精密 D33 測試儀具有較寬的 d33 測量范圍，分為兩檔：

• ×1 擋：測量范圍為 10 到 2000pC/N，可升級至 20 至 4000pC/N，甚至能夠進一步升級到 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量需求。在實際應用中，許多常用的壓電陶瓷材料的 d33 常數(shù)都在這個范圍內，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 型測試儀的 ×1 擋能夠對其進行準確測量。

• ×0.1 擋：測量范圍為 1 到 200pC/N，可擴展至 2 至 400pC/N。該擋位主要用于測量小壓電常數(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)相對較小，在幾 pC/N 到幾十 pC/N 之間，×0.1 擋能夠滿足對這類材料的精確測量要求。較寬的測量范圍使得 ZJ-3 型測試儀能夠適應不同類型、不同性能壓電材料的測量需求，具有廣泛的適用性。

測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)的變化量僅為 1pC/N，測試儀也能夠準確地檢測到并在顯示面板上體現(xiàn)出來。這種高分辨率對于測量具有較大 d33 常數(shù)且需要精確測量其細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。在測量小壓電常數(shù)的材料時，×0.1 擋的高分辨率能夠確保對微小 d33 常數(shù)的精確測量。對于那些 d33 常數(shù)在幾 pC/N 到幾十 pC/N 范圍內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確的測量結果，為研究這類材料的壓電性能提供可靠的數(shù)據(jù)支持。高分辨率保證了測試儀能夠對壓電材料的 d33 常數(shù)進行精細測量，提高了測量結果的準確性和可靠性。

ZJ-3 型測試儀在不同測量范圍內具有嚴格控制的誤差范圍：




• ×1 擋：當 d33 在 100 到 4000pC/N 時，誤差為 ±2%±1 個數(shù)字。例如，當測量一個 d33 常數(shù)為 1000pC/N 的壓電材料試樣時，根據(jù)誤差范圍，測量結果可能在 1000×(1 - 2%) - 1 到 1000×(1 + 2%) + 1 之間，即 979 到 1021pC/N 之間。當 d33 在 10 到 200pC/N 時，誤差為 ±5%±1 個數(shù)字。這是因為在較低的 d33 常數(shù)范圍內，測量難度相對較大，外界干擾因素對測量結果的影響相對更明顯，所以誤差范圍適當放寬，但仍能保證在可接受的范圍內，以確保測量結果的可靠性。

• ×0.1 擋：當 d33 在 10 到 200pC/N 時，誤差為 ±2%±1 個數(shù)字。在該擋位下，對于小壓電常數(shù)材料的測量，能夠保證較高的測量精度，誤差控制在較小范圍內，為研究小壓電常數(shù)材料的性能提供了準確的數(shù)據(jù)基礎。嚴格控制的誤差范圍表明 ZJ-3 型測試儀具有較高的測量準確性，能夠為壓電材料的研究和應用提供可靠的數(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。這樣的尺寸設計使得儀器整體結構緊湊，既方便操作，又便于攜帶和安裝。施力裝置的尺寸設計能夠保證其穩(wěn)定地施加外力，同時不會占用過多空間；儀器本體的尺寸設計兼顧了內部電子元器件的布局和散熱需求，以及操作人員對儀器操作的便捷性。

• 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過程中更加方便，無論是在實驗室環(huán)境中進行常規(guī)測量，還是需要在不同地點進行現(xiàn)場測試，都能夠輕松移動和部署。

• 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驗場所的供電系統(tǒng)，20 瓦的低功率設計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 測試前準備

1. 6.2 測量過程操作步驟

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3. 參數(shù)設置：根據(jù)被測試樣的估計 d33 常數(shù)大小，選擇合適的測量擋位。如果估計 d33 常數(shù)較大，在 100pC/N 以上，可選擇 ×1 擋；如果估計 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" 選擇開關置于 “d33" 一側，確保儀器處于 d33 常數(shù)測量模式。

4. 儀器預熱：打開儀器電源，讓儀器通電預熱 10min。在預熱過程中，儀器內部的電子元器件逐漸達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，能夠提高測量的準確性和穩(wěn)定性。預熱時間結束后，儀器方可進行準確測量。

5. 調零操作：調節(jié)儀器前面板上的調零旋鈕，使面板表指示在 “0" 與 “ - 0" 之間。調零操作是為了消除儀器的零點漂移誤差，確保測量結果的準確性。在調零過程中，要確保測量頭沒有施加外力，處于空載狀態(tài)。

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