中科院聲學所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、操作方法、性能測試及應用等方面的分析，展示了該測試儀在測量壓電材料 d33 常數方面的優勢。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據支持，推動相關領域的發展。

關鍵詞

ZJ-3 型測試儀；壓電材料；d33 常數；測量

一、引言

壓電材料在現代科技領域中具有廣泛的應用，如傳感器、執行器、超聲換能器等。準確測量壓電材料的性能參數對于其應用和發展至關重要。d33 常數作為壓電材料的重要參數之一，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、操作方法、性能測試及應用等方面的內容。

二、ZJ-3 型精密 D33 測試儀概述

2.1 壓電材料與 d33 常數

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，會在其表面產生電荷，這種現象稱為正壓電效應；反之，當在壓電材料上施加電場時，材料會發生形變，這就是逆壓電效應。d33 常數是描述壓電材料正壓電效應中縱向壓電性能的重要參數，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生的電荷密度，單位為 pC/N。d33 常數的大小直接反映了壓電材料在縱向受力時產生電荷的能力，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 常數越大，傳感器的靈敏度越高；在壓電執行器中，利用逆壓電效應將電信號轉換為機械位移，d33 常數影響著執行器的輸出位移和驅動力。因此，準確測量 d33 常數對于壓電材料的研究、開發和應用至關重要。

2.2 ZJ-3 型測試儀的研發背景與意義

隨著壓電材料在電子、通信、能源、醫療等眾多領域的廣泛應用，對壓電材料性能的測量需求日益迫切。傳統的測量方法和儀器在測量、測量范圍、操作便利性等方面存在一定的局限性，難以滿足現代科研和生產對壓電材料性能高測量的要求。在此背景下，研發一款性能的 d33 常數測量儀器具有重要的現實意義。ZJ-3 型精密 D33 測試儀應運而生，它是科研人員經過深入研究和不斷優化設計的成果。該測試儀的研發旨在解決現有測量儀器存在的問題，為壓電材料及壓電元件的生產、應用與研究提供可靠的測量手段。通過測量 d33 常數，能夠更準確地評估壓電材料的性能，為材料的選擇、優化和創新提供有力的數據支持，從而推動壓電材料相關技術的發展和應用領域的拓展。在材料研發過程中，科研人員可以根據 ZJ-3 型測試儀提供的準確 d33 數據，篩選出性能更優的壓電材料配方和制備工藝，提高材料的性能和質量；在生產過程中，制造商可以利用該測試儀對產品進行質量檢測和控制，確保產品的壓電性能符合標準，提高產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生變形，導致正負電荷中心發生相對位移，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。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。

3.2 測試儀的測量原理詳述

ZJ-3 型精密 D33 測試儀采用準靜態測量方法來測量壓電材料的 d33 常數。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，便于后續處理。放大后的信號再經過檢波電路，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、環境干擾等因素對測量結果的影響。經過上述必要的處理后，終將代表被測試樣 d33 常數大小及極性的信號送至三位半數字面板表上直接顯示。在測量過程中，為了滿足測量 d33 常數時的恒定電場邊界條件，在儀器測量頭內，與被測試樣并聯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。這種準靜態測量方法相較于通常的靜態法，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位置，它負責對由正壓電效應產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，采用三位半數字面板表，清晰直觀地顯示測量結果，包括 d33 常數的大小和極性。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定的性能。

4.2 關鍵部件設計

1. 施力裝置設計：施力裝置的部件是力產生機構和力傳遞機構。力產生機構采用了高的電磁驅動裝置，通過控制電流大小和頻率，能夠產生穩定的低頻交變力。力傳遞機構采用了剛性好、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化，以減小摩擦力和慣性力對力傳遞的影響，提高力的施加。通過對力產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生大小約為 0.25N、頻率約為 110Hz 的穩定交變力，滿足準靜態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。在電路設計過程中，充分考慮了電路的抗干擾能力和穩定性，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化設計，使得測試儀能夠準確地測量和處理壓電材料產生的微弱電信號，為準確測量 d33 常數提供了保障。

五、技術參數

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具有較大壓電常數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 常數都在這個范圍內，例如 PZT 系列壓電陶瓷，其 d33 常數通常在幾百到幾千 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，測試儀能夠分辨出 d33 常數的微小變化，即使 d33 常數的變化量僅為 1pC/N，測試儀也能夠準確地檢測到并在顯示面板上體現出來。這種高分辨率對于測量具有較大 d33 常數且需要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化過程中，可能需要觀察 d33 常數隨著制備工藝參數改變而發生的微小變化，×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。在測量小壓電常數的材料時，×0.1 擋的高分辨率能夠確保對微小 d33 常數的測量。對于那些 d33 常數在幾 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據支持。高分辨率保證了測試儀能夠對壓電材料的 d33 常數進行精細測量，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 個數字。例如，當測量一個 d33 常數為 1000pC/N 的壓電材料試樣時，根據誤差范圍，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 個數字。這是因為在較低的 d33 常數范圍內，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 個數字。在該擋位下，對于小壓電常數材料的測量，能夠保證較高的測量，誤差控制在較小范圍內，為研究小壓電常數材料的性能提供了準確的數據基礎。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據支持。

5.4 其他參數

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，無論是在實驗室環境中進行常規測量，還是需要在不同地點進行現場測試，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。這種常見的電源規格使得儀器能夠方便地接入各種實驗場所的供電系統，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，節能環保。

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。如果發現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、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，以確保極化效果的一致性。極化后的試樣應放置一段時間，使其壓電性能穩定后再進行測量。根據試樣的類型和尺寸，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 常數進行比較，如果測量值與標準值之間的偏差超出了儀器規定的誤差范圍，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，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. 參數設置：根據被測試樣的估計 d33 常數大小，選擇合適的測量擋位。如果估計 d33 常數較大，在 100pC/N 以上，可選擇 ×1 擋；如果估計 d33 常數較小，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定工作狀態，能夠提高測量的準確性和穩定性。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。

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。由正壓電效應產生的