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聲學所ZJ-3 型精密 D33 測試儀的結構及原理

更新時間：2025-03-26  |  點擊率：99

中國院聲學所ZJ-3 型精密 D33 測試儀的設計與應用

摘要

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(chǎn)、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。

關鍵詞

ZJ-3 型測試儀；壓電材料；d33 常數(shù)；測量精度

一、引言

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(chǎn)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。

二、ZJ-3 型精密 D33 測試儀概述

2.1 壓電材料與 d33 常數(shù)

壓電材料是一類能夠將機械能與電能相互轉換的功能材料。當壓電材料受到外力作用時，會在其表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應；反之，當在壓電材料上施加電場時，材料會發(fā)生形變，這就是逆壓電效應。d33 常數(shù)是描述壓電材料正壓電效應中縱向壓電性能的重要參數(shù)，其定義為單位應力作用下在垂直于應力方向的電極面上產(chǎn)生的電荷密度，單位為 pC/N。d33 常數(shù)的大小直接反映了壓電材料在縱向受力時產(chǎn)生電荷的能力，對于評估壓電材料的性能和應用潛力具有關鍵意義。在實際應用中，如壓電傳感器利用正壓電效應將外界壓力、振動等機械信號轉換為電信號進行檢測，d33 常數(shù)越大，傳感器的靈敏度越高；在壓電執(zhí)行器中，利用逆壓電效應將電信號轉換為機械位移，d33 常數(shù)影響著執(zhí)行器的輸出位移和驅動力。因此，準確測量 d33 常數(shù)對于壓電材料的研究、開發(fā)和應用至關重要。

2.2 ZJ-3 型測試儀的研發(fā)背景與意義

隨著壓電材料在電子、通信、能源、醫(yī)療等眾多領域的廣泛應用，對壓電材料性能的精確測量需求日益迫切。傳統(tǒng)的測量方法和儀器在測量精度、測量范圍、操作便利性等方面存在一定的局限性，難以滿足現(xiàn)代科研和生產(chǎn)對壓電材料性能高精度測量的要求。在此背景下，研發(fā)一款性能的 d33 常數(shù)測量儀器具有重要的現(xiàn)實意義。ZJ-3 型精密 D33 測試儀應運而生，它是科研人員經(jīng)過深入研究和不斷優(yōu)化設計的成果。該測試儀的研發(fā)旨在解決現(xiàn)有測量儀器存在的問題，為壓電材料及壓電元件的生產(chǎn)、應用與研究提供可靠的測量手段。通過精確測量 d33 常數(shù)，能夠更準確地評估壓電材料的性能，為材料的選擇、優(yōu)化和創(chuàng)新提供有力的數(shù)據(jù)支持，從而推動壓電材料相關技術的發(fā)展和應用領域的拓展。在材料研發(fā)過程中，科研人員可以根據(jù) ZJ-3 型測試儀提供的準確 d33 數(shù)據(jù)，篩選出性能更優(yōu)的壓電材料配方和制備工藝，提高材料的性能和質量；在生產(chǎn)過程中，制造商可以利用該測試儀對產(chǎn)品進行質量檢測和控制，確保產(chǎn)品的壓電性能符合標準，提高產(chǎn)品的一致性和可靠性。

三、工作原理

3.1 正壓電效應原理基礎

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(chǎn)生感應電荷。這種電荷的產(chǎn)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：，其中為電位移，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(chǎn)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(chǎn)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)。

3.2 測試儀的測量原理詳述

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(chǎn)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。

四、結構設計

4.1 整體結構布局

ZJ-3 型精密 D33 測試儀主要由施力裝置、信號處理單元和顯示單元三大部分組成。施力裝置位于儀器的前端，其作用是向被測壓電材料試樣施加穩(wěn)定、準確的外力。施力裝置采用了精密的機械結構設計，能夠確保施加的力大小均勻、方向垂直于試樣表面。信號處理單元位于儀器的內部核心位置，它負責對由正壓電效應產(chǎn)生的電信號進行放大、檢波、相除等一系列處理。信號處理單元采用了先進的電子元器件和電路設計，具有高靈敏度、低噪聲的特點，能夠有效提高測量信號的質量和準確性。顯示單元位于儀器的面板上，采用三位半數(shù)字面板表，清晰直觀地顯示測量結果，包括 d33 常數(shù)的大小和極性。儀器的整體結構布局緊湊合理，各部分之間相互協(xié)調，便于操作和維護。在儀器的外殼設計上，采用了堅固耐用的材料，既能有效保護內部的電子元器件和機械結構，又具有良好的散熱性能，確保儀器在長時間工作過程中能夠保持穩(wěn)定的性能。

4.2 關鍵部件設計

  1. 施力裝置設計：施力裝置的核心部件是力產(chǎn)生機構和力傳遞機構。力產(chǎn)生機構采用了高精度的電磁驅動裝置，通過精確控制電流大小和頻率，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的低頻交變力。力傳遞機構采用了剛性好、精度高的連桿和探頭，能夠將力準確地傳遞到被測試樣上，并且保證力的作用方向垂直于試樣表面。在設計過程中，對施力裝置的各個部件進行了優(yōu)化，以減小摩擦力和慣性力對力傳遞的影響，提高力的施加精度。通過對力產(chǎn)生機構和力傳遞機構的精心設計和調試，使得施力裝置能夠產(chǎn)生大小約為 0.25N、頻率約為 110Hz 的穩(wěn)定交變力，滿足準靜態(tài)測量方法對施力的要求。

  2. 信號處理電路設計：信號處理電路是 ZJ-3 型測試儀的關鍵部分之一，它直接影響著測量結果的準確性和可靠性。信號處理電路主要包括電荷放大器、檢波電路和相除電路。電荷放大器采用了高輸入阻抗、低噪聲的運算放大器，能夠將微弱的電荷信號放大到適合后續(xù)處理的幅度。檢波電路采用了精密的二極管檢波電路，能夠將放大后的交流信號準確地轉換為直流信號。相除電路采用了模擬除法器，通過對標準樣品和被測試樣產(chǎn)生的電信號進行相除運算，消除了外界干擾因素對測量結果的影響，提高了測量的精度。在電路設計過程中，充分考慮了電路的抗干擾能力和穩(wěn)定性，采用了屏蔽、濾波等措施，減少外界電磁干擾對信號處理的影響。通過對信號處理電路的優(yōu)化設計，使得測試儀能夠準確地測量和處理壓電材料產(chǎn)生的微弱電信號，為準確測量 d33 常數(shù)提供了保障。

五、技術參數(shù)

5.1 d33 測量范圍

ZJ-3 型精密 D33 測試儀具有較寬的 d33 測量范圍，分為兩檔：


  1. ×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。

  2. ×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。

5.2 分辨率

測試儀在不同擋位下具有高分辨率：


  1. ×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。

  2. ×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。

5.3 誤差范圍

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. ×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。

  2. ×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。

5.4 其他參數(shù)

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

六、操作方法

6.1 測試前準備

  1. 儀器檢查：在使用 ZJ-3 型精密 D33 測試儀之前，首先要對儀器進行全面檢查。檢查儀器外觀是否有損壞，各部件連接是否牢固。查看施力裝置的探頭是否有磨損或變形，如有問題應及時更換或修復，以確保施力的準確性。檢查儀器的電源線是否連接正確，插頭插座是否松動。打開儀器電源，觀察儀器面板上的指示燈是否正常亮起，顯示單元是否正常顯示。如果發(fā)現(xiàn)儀器存在故障或異常情況，應立即停止使用，并進行維修或調試。

  2. 試樣準備：對待測試樣進行嚴格的預處理。首先，根據(jù)測量要求，選擇合適尺寸和形狀的壓電材料試樣，如圓片、圓環(huán)、圓管、方塊、長條、柱形及半球殼等均可。對試樣的表面進行清潔處理，去除表面的油污、灰塵等雜質，以保證試樣與測量探頭之間良好的電氣接觸。對于壓電陶瓷試樣，需要進行極化處理，使其具有穩(wěn)定的壓電性能。在進行極化處理時，要嚴格控制極化電場強度、極化時間和極化溫度等參數(shù)，以確保極化效果的一致性。極化后的試樣應放置一段時間，使其壓電性能穩(wěn)定后再進行測量。根據(jù)試樣的類型和尺寸，選擇合適的夾具將試樣固定在施力裝置的測量位置上，確保試樣安裝牢固，受力均勻。

  3. 儀器校準：為了保證測量結果的準確性，在每次測量前需要對儀器進行校準。使用已知 d33 常數(shù)的標準樣品進行校準操作。將標準樣品安裝在施力裝置上，按照正常測量步驟進行操作，記錄儀器顯示的測量值。將測量值與標準樣品的已知 d33 常數(shù)進行比較，如果測量值與標準值之間的偏差超出了儀器規(guī)定的誤差范圍，則需要對儀器進行校準調整。通過調整儀器內部的校準參數(shù)，使儀器的測量值與標準值相符。校準過程應嚴格按照儀器的操作手冊進行，確保校準的準確性。經(jīng)過校準后的儀器才能進行準確的測量工作。

6.2 測量過程操作步驟

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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)。

  4. 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(chǎn)生的