中(zhong)國(guo)院聲(sheng)學所ZJ-3 型精密(mi) D33 測(ce)試儀(yi)的(de)設計(ji)與(yu)應用(yong)
更(geng)新時間(jian):2025-03-25 | 點(dian)擊率(lv):1065

本(ben)文詳細(xi)介紹了 ZJ-3 型精密(mi) D33 測(ce)試儀(yi),闡述(shu)其(qi)在(zai)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)研(yan)究中(zhong)的(de)重(zhong)要(yao)性。通(tong)過(guo)對儀器(qi)的(de)工作原理、結構設計(ji)、技(ji)術參(can)數(shu)、操(cao)作方法、性能(neng)測試及應用(yong)案例等方(fang)面(mian)的(de)分(fen)析,展示(shi)了(le)該(gai)測(ce)試儀在(zai)測量(liang)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao) d33 常(chang)數方(fang)面(mian)的(de)優(you)勢。研(yan)究表(biao)明,ZJ-3 型精密(mi) D33 測(ce)試儀(yi)具(ju)有測(ce)量(liang)範圍(wei)寬、分(fen)辨(bian)率(lv)高(gao)、可(ke)靠性強(qiang)、操(cao)作簡(jian)便等(deng)特(te)點(dian),能為壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)及壓(ya)電(dian)元(yuan)件的(de)生產(chan)、應用(yong)與(yu)研(yan)究提(ti)供(gong)準(zhun)確的(de)數據(ju)支持,推動相關領域的(de)發(fa)展。
ZJ-3 型測(ce)試(shi)儀;壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao);d33 常(chang)數;測(ce)量(liang)精度(du)
壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)在(zai)現代(dai)科技(ji)領域中(zhong)具(ju)有廣(guang)泛(fan)的(de)應用(yong),如傳感器(qi)、執(zhi)行(xing)器(qi)、超(chao)聲(sheng)換能(neng)器(qi)等(deng)。準(zhun)確測量(liang)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de)性能(neng)參數對於(yu)其(qi)應用(yong)和(he)發(fa)展至(zhi)關重(zhong)要(yao)。d33 常(chang)數作為壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de)重(zhong)要(yao)參(can)數之(zhi)壹(yi),反映(ying)了(le)材(cai)料(liao)在(zai)縱向受(shou)力(li)時產(chan)生電(dian)荷(he)的(de)能力(li)。ZJ-3 型精密(mi) D33 測(ce)試儀(yi)是專門(men)為測(ce)量(liang)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de) d33 常(chang)數而設計(ji)的(de)儀器(qi),其(qi)性能(neng)直(zhi)接(jie)影響(xiang)到(dao)對壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)性能(neng)評估的(de)準確性。本(ben)文將(jiang)對 ZJ-3 型精密(mi) D33 測(ce)試儀(yi)進行(xing)深(shen)入研(yan)究,介(jie)紹其(qi)工作原理、結構設計(ji)、技(ji)術參(can)數(shu)、操(cao)作方法、性能(neng)測試及應用(yong)案例等方(fang)面(mian)的(de)內(nei)容。
正壓(ya)電(dian)效(xiao)應是(shi) ZJ-3 型精密(mi) D33 測(ce)試儀(yi)工作的(de)基礎(chu)原理。當壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)受(shou)到(dao)外(wai)力(li)作用(yong)時(shi),其(qi)內(nei)部(bu)的(de)晶(jing)體結構會發(fa)生變形(xing),導(dao)致正負(fu)電(dian)荷(he)中(zhong)心(xin)發(fa)生相對位(wei)移(yi),從(cong)而在(zai)材(cai)料(liao)的(de)表面(mian)產(chan)生感應電(dian)荷(he)。這種電(dian)荷(he)的(de)產(chan)生與(yu)外(wai)力(li)的(de)大(da)小和(he)方向(xiang)密切(qie)相關。根據(ju)壓(ya)電(dian)方(fang)程,對於(yu)各向(xiang)異性的(de)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao),其(qi)電(dian)位(wei)移(yi)與(yu)應力(li)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)線(xian)性關(guan)系,在(zai)縱向受(shou)力(li)情況(kuang)下,d33 常(chang)數與(yu)電(dian)位(wei)移(yi)和(he)應力(li)的(de)關系可(ke)表示(shi)為:D3=d33T3,其(qi)中(zhong)D3為電(dian)位(wei)移(yi),T3為(wei)縱向應力(li)。這(zhe)壹(yi)關系表明,在(zai)已知應力(li)的(de)情況(kuang)下,通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)電(dian)位(wei)移(yi)即(ji)可(ke)計算(suan)出(chu) d33 常(chang)數。在(zai)實際測量(liang)中(zhong),當在(zai)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)試(shi)樣(yang)上施加壹(yi)個垂直(zhi)於(yu)其(qi)極(ji)化方向的(de)外(wai)力(li)時(shi),根據(ju)正(zheng)壓(ya)電(dian)效(xiao)應,在(zai)與(yu)極(ji)化方向垂直(zhi)的(de)兩個表(biao)面(mian)上會產(chan)生等(deng)量(liang)異號的(de)電(dian)荷(he)。這些(xie)電(dian)荷(he)的(de)多少(shao)與(yu)施(shi)加的(de)外(wai)力(li)大(da)小成(cheng)正比,與(yu)材(cai)料(liao)的(de) d33 常(chang)數也(ye)成正(zheng)比。例如,對於(yu)壹(yi)塊(kuai)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷試樣,當在(zai)其(qi)厚(hou)度(du)方(fang)向上施加壓(ya)力(li)時(shi),在(zai)試樣的(de)兩個表(biao)面(mian)會產(chan)生電(dian)荷(he),通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)這些(xie)電(dian)荷(he)的(de)密度(du),結合(he)施(shi)加(jia)的(de)壓(ya)力(li)大(da)小,就(jiu)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)上(shang)述(shu)公式計(ji)算(suan)出(chu)該(gai)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷的(de) d33 常(chang)數。
ZJ-3 型精密(mi) D33 測(ce)試儀(yi)采用(yong)準(zhun)靜態測(ce)量(liang)方法(fa)來測(ce)量(liang)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de) d33 常(chang)數。在(zai)儀器(qi)測(ce)量(liang)頭內(nei),壹(yi)個頻(pin)率(lv)約(yue)為(wei) 110Hz、大(da)小約(yue)為(wei) 0.25N 的(de)低(di)頻(pin)交(jiao)變力,通(tong)過(guo)上(shang)下探頭均勻(yun)地(di)施(shi)加(jia)到(dao)標準(zhun)樣(yang)品與(yu)被測試樣(yang)上(shang)。根據(ju)正(zheng)壓(ya)電(dian)效(xiao)應,標準(zhun)樣(yang)品和(he)被測試樣(yang)在(zai)受到外(wai)力(li)作用(yong)時(shi),都會產(chan)生相應的(de)電(dian)信(xin)號。這兩個電(dian)信(xin)號首(shou)先(xian)經過(guo)高(gao)靈敏度的(de)電(dian)荷(he)放大(da)器(qi)進行(xing)放大(da),以(yi)提(ti)高(gao)信號的(de)強度(du),便於(yu)後續處(chu)理。放(fang)大(da)後的(de)信號再(zai)經(jing)過(guo)檢波電(dian)路(lu),將(jiang)交(jiao)流信號轉(zhuan)換為(wei)直(zhi)流信號,以(yi)便(bian)於(yu)測量(liang)和分(fen)析。之(zhi)後(hou),通(tong)過(guo)相除電(dian)路(lu)對兩個信(xin)號進行(xing)處(chu)理,消(xiao)除由(you)於(yu)外(wai)力(li)波(bo)動、環境幹擾等因(yin)素(su)對測量(liang)結果的(de)影響(xiang)。經(jing)過(guo)上(shang)述(shu)必要的(de)處(chu)理後(hou),最終(zhong)將(jiang)代(dai)表被測試樣(yang) d33 常(chang)數大(da)小及極(ji)性的(de)信號送至三(san)位(wei)半(ban)數(shu)字(zi)面(mian)板表(biao)上(shang)直(zhi)接(jie)顯示。在(zai)測量(liang)過(guo)程中(zhong),為了(le)滿(man)足(zu)測(ce)量(liang) d33 常(chang)數時(shi)的(de)恒定(ding)電(dian)場邊界條(tiao)件(jian),在(zai)儀器(qi)測(ce)量(liang)頭內(nei),與(yu)被測試樣(yang)並(bing)聯了壹(yi)個比試樣(yang)電(dian)容(rong)大(da)很多(duo)(如大(da) 100 倍)的(de)大(da)電(dian)容(rong)。這樣可(ke)以(yi)保(bao)證在(zai)測量(liang)過(guo)程中(zhong),電(dian)場強(qiang)度基(ji)本(ben)保(bao)持恒定(ding),從(cong)而提(ti)高(gao)測量(liang)的(de)準確性。這(zhe)種準靜態測(ce)量(liang)方法(fa)相較於(yu)通(tong)常(chang)的(de)靜態法(fa),能(neng)夠有效(xiao)減小(xiao)由(you)於(yu)壓(ya)電(dian)非線(xian)性及熱釋電(dian)效(xiao)應帶(dai)來的(de)測量(liang)誤(wu)差(cha)。靜態法(fa)由(you)於(yu)存(cun)在(zai)這些(xie)因(yin)素(su)的(de)影響(xiang),測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)可(ke)達 30% - 50%,而 ZJ-3 型測(ce)試(shi)儀采(cai)用(yong)的(de)準靜態法(fa)能(neng)夠將(jiang)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)控(kong)制在(zai)較小範(fan)圍(wei)內(nei),提(ti)高(gao)了測量(liang)結果的(de)可(ke)靠性。
ZJ-3 型精密(mi) D33 測(ce)試儀(yi)具(ju)有較(jiao)寬(kuan)的(de) d33 測量(liang)範圍(wei),分(fen)為(wei)兩(liang)檔(dang):
×1 擋:測量(liang)範圍(wei)為 10 到 2000pC/N,可(ke)升(sheng)級至(zhi) 20 至 4000pC/N,甚至能夠進壹(yi)步升(sheng)級到(dao) 10000pC/N。這壹(yi)範圍(wei)能(neng)夠滿(man)足(zu)大(da)多數(shu)具(ju)有較(jiao)大(da)壓(ya)電(dian)常(chang)數的(de)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)的(de)測量(liang)需(xu)求。在(zai)實際應用(yong)中(zhong),許多(duo)常(chang)用(yong)的(de)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)的(de) d33 常(chang)數都在(zai)這個範(fan)圍(wei)內(nei),例如 PZT 系列(lie)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷,其(qi) d33 常(chang)數通(tong)常(chang)在(zai)幾百到(dao)幾千(qian) pC/N 之(zhi)間(jian),ZJ-3 型測(ce)試(shi)儀的(de) ×1 擋能(neng)夠對其(qi)進行(xing)準確測量(liang)。
×0.1 擋:測(ce)量(liang)範圍(wei)為 1 到 200pC/N,可(ke)擴展(zhan)至 2 至 400pC/N。該(gai)擋(dang)位(wei)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)測量(liang)小壓(ya)電(dian)常(chang)數的(de)壓(ya)電(dian)單(dan)晶(jing)及壓(ya)電(dian)高(gao)分(fen)子(zi)材(cai)料(liao)。壹(yi)些(xie)新型的(de)壓(ya)電(dian)單(dan)晶(jing)材(cai)料(liao)或(huo)壓(ya)電(dian)高(gao)分(fen)子(zi)材(cai)料(liao),其(qi) d33 常(chang)數相對較小,在(zai)幾 pC/N 到幾十 pC/N 之(zhi)間(jian),×0.1 擋能夠滿(man)足(zu)對這類(lei)材(cai)料(liao)的(de)精確測量(liang)要求(qiu)。較寬的(de)測量(liang)範圍(wei)使得(de) ZJ-3 型測(ce)試(shi)儀能(neng)夠適應不同類(lei)型、不同性能(neng)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de)測量(liang)需(xu)求,具(ju)有廣(guang)泛(fan)的(de)適用(yong)性。
測(ce)試儀在(zai)不同擋(dang)位(wei)下具(ju)有高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv):
×1 擋(dang):分(fen)辨(bian)率(lv)為(wei) 1pC/N。這意味著在(zai)該(gai)擋(dang)位(wei)下,測試儀(yi)能夠(gou)精確分(fen)辨(bian)出(chu) d33 常(chang)數的(de)微小變化,即(ji)使 d33 常(chang)數的(de)變化量(liang)僅為(wei) 1pC/N,測(ce)試儀(yi)也能夠準確地檢測到並在(zai)顯示面(mian)板上(shang)體(ti)現(xian)出(chu)來。這(zhe)種高分(fen)辨(bian)率(lv)對於(yu)測量(liang)具(ju)有較(jiao)大(da) d33 常(chang)數且(qie)需(xu)要精確測量(liang)其(qi)細(xi)微變化的(de)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)非常(chang)重(zhong)要(yao),例如在(zai)研究壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)的(de)性能(neng)優(you)化過(guo)程中(zhong),可(ke)能需(xu)要觀察(cha) d33 常(chang)數隨(sui)著制(zhi)備(bei)工藝參(can)數(shu)改(gai)變而發(fa)生的(de)微小變化,×1 擋的(de)高分(fen)辨(bian)率(lv)能(neng)夠滿(man)足(zu)這(zhe)壹(yi)需(xu)求。
×0.1 擋(dang):分(fen)辨(bian)率(lv)為(wei) 0.1pC/N。在(zai)測量(liang)小壓(ya)電(dian)常(chang)數的(de)材(cai)料(liao)時(shi),×0.1 擋(dang)的(de)高分(fen)辨(bian)率(lv)能(neng)夠確保(bao)對微小 d33 常(chang)數的(de)精確測量(liang)。對於(yu)那(na)些(xie) d33 常(chang)數在(zai)幾 pC/N 到幾十 pC/N 範(fan)圍內(nei)的(de)壓(ya)電(dian)單(dan)晶(jing)或壓(ya)電(dian)高(gao)分(fen)子(zi)材(cai)料(liao),0.1pC/N 的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)能(neng)夠提(ti)供(gong)非常(chang)準確的(de)測量(liang)結果,為研(yan)究這(zhe)類(lei)材(cai)料(liao)的(de)壓(ya)電(dian)性能(neng)提(ti)供(gong)可(ke)靠的(de)數據(ju)支持。高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)保(bao)證了測試儀能夠(gou)對壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de) d33 常(chang)數進行(xing)精細(xi)測量(liang),提(ti)高(gao)了測量(liang)結果的(de)準確性和(he)可(ke)靠性。
ZJ-3 型測(ce)試(shi)儀在(zai)不同測(ce)量(liang)範圍(wei)內(nei)具(ju)有嚴(yan)格(ge)控(kong)制的(de)誤(wu)差(cha)範(fan)圍(wei):
×1 擋(dang):當 d33 在(zai) 100 到 4000pC/N 時,誤(wu)差(cha)為(wei) ±2%±1 個數(shu)字(zi)。例如,當測(ce)量(liang)壹(yi)個 d33 常(chang)數為(wei) 1000pC/N 的(de)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)試(shi)樣(yang)時,根據(ju)誤(wu)差(cha)範(fan)圍(wei),測(ce)量(liang)結果可(ke)能在(zai) 1000×(1 - 2%) - 1 到 1000×(1 + 2%) + 1 之(zhi)間(jian),即(ji) 979 到 1021pC/N 之(zhi)間(jian)。當 d33 在(zai) 10 到 200pC/N 時,誤(wu)差(cha)為(wei) ±5%±1 個數(shu)字(zi)。這是因(yin)為在(zai)較低(di)的(de) d33 常(chang)數範(fan)圍內(nei),測量(liang)難度(du)相對較大(da),外(wai)界(jie)幹(gan)擾因(yin)素(su)對測量(liang)結果的(de)影響(xiang)相對更明顯,所以(yi)誤(wu)差(cha)範(fan)圍(wei)適當放(fang)寬(kuan),但仍能(neng)保(bao)證在(zai)可(ke)接受(shou)的(de)範圍(wei)內(nei),以(yi)確保(bao)測量(liang)結果的(de)可(ke)靠性。
×0.1 擋(dang):當 d33 在(zai) 10 到 200pC/N 時,誤(wu)差(cha)為(wei) ±2%±1 個數(shu)字(zi)。在(zai)該(gai)擋(dang)位(wei)下,對於(yu)小壓(ya)電(dian)常(chang)數材(cai)料(liao)的(de)測量(liang),能夠(gou)保(bao)證較高的(de)測量(liang)精度(du),誤(wu)差(cha)控(kong)制在(zai)較小範(fan)圍(wei)內(nei),為研究小(xiao)壓(ya)電(dian)常(chang)數材(cai)料(liao)的(de)性能(neng)提(ti)供(gong)了(le)準(zhun)確的(de)數據(ju)基(ji)礎(chu)。嚴格(ge)控(kong)制的(de)誤(wu)差(cha)範(fan)圍(wei)表(biao)明 ZJ-3 型測(ce)試(shi)儀具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)測量(liang)準確性,能(neng)夠為壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de)研究和(he)應用(yong)提(ti)供(gong)可(ke)靠的(de)數據(ju)支持。
尺寸(cun):施(shi)力裝(zhuang)置(zhi)尺寸(cun)為(wei) Φ110×140mm,儀器(qi)本(ben)體(ti)尺寸(cun)為(wei) 240×200×80mm。這樣(yang)的(de)尺寸(cun)設計(ji)使得(de)儀(yi)器(qi)整體結構緊(jin)湊,既(ji)方(fang)便操(cao)作,又便於(yu)攜帶(dai)和安裝。施力裝(zhuang)置(zhi)的(de)尺寸(cun)設計(ji)能(neng)夠(gou)保(bao)證其(qi)穩(wen)定(ding)地施(shi)加外(wai)力(li),同(tong)時不會占用(yong)過(guo)多(duo)空間;儀(yi)器(qi)本(ben)體(ti)的(de)尺寸(cun)設計(ji)兼(jian)顧(gu)了內(nei)部(bu)電(dian)子(zi)元器(qi)件(jian)的(de)布局(ju)和散熱需(xu)求,以(yi)及操(cao)作人員對儀器(qi)操(cao)作的(de)便捷性。
重(zhong)量(liang):施力(li)裝置(zhi)約(yue) 4 公斤,儀器(qi)本(ben)體(ti) 2 公斤。較輕(qing)的(de)重(zhong)量(liang)使得(de)儀(yi)器(qi)在(zai)使用(yong)和(he)搬運(yun)過(guo)程中(zhong)更加(jia)方便(bian),無(wu)論是在(zai)實驗(yan)室環(huan)境中(zhong)進行(xing)常(chang)規測(ce)量(liang),還(hai)是(shi)需(xu)要在(zai)不同地(di)點(dian)進行(xing)現場測(ce)試,都能夠輕(qing)松(song)移(yi)動和部(bu)署(shu)。
電(dian)源(yuan):使用(yong) 220 伏(fu),50 赫的(de)交(jiao)流電(dian)源(yuan),功(gong)率(lv)為(wei) 20 瓦(wa)。這種常(chang)見(jian)的(de)電(dian)源(yuan)規(gui)格(ge)使得(de)儀(yi)器(qi)能(neng)夠(gou)方便地接(jie)入各種實驗(yan)場所(suo)的(de)供(gong)電(dian)系統(tong),20 瓦(wa)的(de)低(di)功率(lv)設計(ji)既(ji)滿(man)足(zu)了(le)儀器(qi)正(zheng)常(chang)工作的(de)需(xu)求,又具(ju)有較(jiao)低(di)的(de)能耗(hao),節(jie)能(neng)環(huan)保(bao)。