ZJ-3/4系列壓(ya)電(dian)系(xi)數(shu)D33測試(shi)儀講述(shu)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)器件中的幾(ji)何結構(gou)設(she)計與功能(neng)拓(tuo)展

ZJ-3/4系(xi)列壓(ya)電(dian)系(xi)數(shu)D33測試(shi)儀

講述(shu)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)器件中的幾(ji)何結構(gou)設(she)計與功能(neng)拓(tuo)展

壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)因(yin)其(qi)可實(shi)現(xian)機(ji)械能(neng)與電(dian)能(neng)之間的(de)雙(shuang)向(xiang)轉(zhuan)換，被(bei)廣泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)能(neng)量采集器、換能(neng)器、機(ji)器人等(deng)領(ling)域。隨著(zhe)3D打(da)印等(deng)增(zeng)材制造技術(shu)的發(fa)展，傳統(tong)加工(gong)難(nan)以(yi)實(shi)現(xian)的復(fu)雜(za)幾(ji)何結構(gou)逐(zhu)步成為(wei)可(ke)能(neng)。本文綜(zong)述(shu)了(le)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)器件中幾(ji)何形(xing)狀對能(neng)量轉(zhuan)換性(xing)能(neng)的影(ying)響(xiang)，涵(han)蓋(gai)多層結構(gou)、彎曲器、螺(luo)旋(xuan)體、殼體(ti)、拓(tuo)撲(pu)優(you)化結構(gou)及(ji)超材料(liao)等(deng)多種典(dian)型設(she)計。為(wei)新型壓(ya)電(dian)器件的設(she)計與制造提供參考。

壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)簡介(jie)

壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)是(shi)機(ji)械能(neng)和電(dian)能(neng)的耦(ou)合，壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)在(zai)眾多關鍵(jian)技(ji)術(shu)中發(fa)揮著(zhe)重要作(zuo)用。其(qi)正向壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)各類傳感(gan)器、超聲設(she)備和(he)能(neng)量采集器中；而逆向(xiang)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)則(ze)常(chang)用(yong)於(yu)高精(jing)度(du)驅動(dong)器及高功率(lv)超聲系統(tong)。目前(qian)，壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)市(shi)場估(gu)值約(yue)為(wei)20億(yi)美元，主要(yao)由(you)含鉛陶(tao)瓷(ci)（如(ru)PZT）主導(dao)。與單晶(jing)材料(liao)相比，陶(tao)瓷(ci)具(ju)有更(geng)高的可(ke)加工(gong)性(xing)，能(neng)夠較容易(yi)地(di)制(zhi)備成(cheng)多種復(fu)雜(za)形狀，因(yin)此(ci)成為(wei)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)研(yan)究與(yu)應(ying)用(yong)的(de)核心(xin)方(fang)向(xiang)。

壓(ya)電(dian)設(she)備架(jia)構(gou)圖(tu)

壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)形(xing)狀的設(she)計

雖然(ran)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)長期以(yi)來(lai)壹直以(yi)傳(chuan)統(tong)設(she)計的形式使(shi)用，例(li)如(ru)圓(yuan)盤(pan)、平(ping)板(ban)、環和管(guan)，但制造方法(fa)的進(jin)步使(shi)得(de)具(ju)有復(fu)雜(za)形狀以(yi)及(ji)電(dian)極和極化網絡(luo)的(de)非(fei)傳(chuan)統(tong)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。

壓(ya)電(dian)元件(jian)的(de)形(xing)狀會影(ying)響(xiang)其振(zhen)動(dong)模(mo)式(shi)，進(jin)而影(ying)響(xiang)機(ji)電(dian)耦(ou)合因(yin)子(zi)的(de)解析表達(da)式(shi)，如下(xia)圖(tu)。長寬比(bi)與標(biao)準要(yao)求(qiu)不同(tong)的(de)壓(ya)電(dian)元件(jian)將(jiang)產(chan)生(sheng)多種振(zhen)動(dong)模(mo)式(shi)的(de)重疊響應(ying)。這(zhe)使(shi)得(de)在(zai)表征材(cai)料(liao)參數(shu)時(shi)阻抗譜的(de)解釋(shi)變得(de)復(fu)雜(za)，並且需(xu)要進(jin)行額外(wai)的數(shu)據(ju)分析，尤(you)其是(shi)當(dang)這(zhe)些元件(jian)用(yong)作(zuo)設(she)備中(zhong)的傳(chuan)感(gan)器時。

幾(ji)種諧(xie)振(zhen)模式的(de)機(ji)電(dian)耦(ou)合系(xi)數(shu)，其(qi)中 t 為(wei)厚(hou)度(du)，d 為(wei)直徑(jing)，L 為(wei)其(qi)他(ta)尺(chi)寸，P 為(wei)極化方(fang)向(xiang)

壓(ya)電(dian)元件(jian)的(de)幾(ji)何形(xing)狀會顯(xian)著影(ying)響(xiang)其耦(ou)合系(xi)數(shu)類型與大小(xiao)。例(li)如(ru)，相比板(ban)狀或柱(zhu)狀結構(gou)，薄(bo)圓(yuan)盤(pan)在(zai)相同(tong)方(fang)向(xiang)上的(de)耦(ou)合系(xi)數(shu)較低。形(xing)狀由(you)圓(yuan)盤(pan)向(xiang)柱(zhu)或棒的(de)轉(zhuan)變能(neng)夠增(zeng)強(qiang)縱向響(xiang)應(ying)。長寬比(bi)的變(bian)化也會對測得(de)的(de)電(dian)荷(he)系(xi)數(shu)（如(ru) d₃₃）產生影(ying)響(xiang)。實(shi)驗中(zhong)測得(de)的(de)“有(you)效(xiao)"d₃₃值可能(neng)與材(cai)料(liao)固(gu)有的(de)d₃₃不同(tong)。例(li)如(ru)，Barzegar 等(deng)發(fa)現 PZT 薄(bo)圓(yuan)盤(pan)的(de) d₃₃值普遍降低約(yue) 30%。Stewart 等(deng)進(jin)壹步發(fa)現，薄(bo)圓(yuan)盤(pan)中(zhong)的(de)厚度效應(ying)使(shi)得(de)軟(ruan) PZT 的 d₃₃值降低，而(er)硬(ying) PZT 的值則升(sheng)高。

此(ci)外(wai)，形狀相關的另(ling)壹個(ge)關鍵(jian)因(yin)素(su)是(shi)曲率(lv)。彎曲結構(gou)中(zhong)，由(you) d₃₃ 分(fen)量引起的(de)位(wei)移在邊(bian)緣處(chu)更(geng)顯(xian)著，並(bing)且(qie)壓(ya)電(dian)正(zheng)應(ying)力(li)所產生(sheng)的(de)彎矩在曲面(mian)結構(gou)中(zhong)明(ming)顯大於(yu)直線結構(gou)，從(cong)而進(jin)壹步增強(qiang)了(le)壓(ya)電(dian)響(xiang)應(ying)。

ZJ-4 型壓(ya)電(dian)測試(shi)儀（靜壓(ya)電(dian)系(xi)數(shu)d33測量儀）,薄膜PVDF壓(ya)電(dian)系(xi)數(shu)測試(shi)儀
關鍵(jian)詞(ci):壓(ya)電(dian),陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao),高分子(zi),d33/d15,15圓(yuan)管(guan)夾(jia)具(ju)

壹、產(chan)品(pin)介(jie)紹(shao)：

ZJ-4型壓(ya)電(dian)測試(shi)儀（靜壓(ya)電(dian)系(xi)數(shu)d33測量儀）是(shi)為(wei)測量壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de)d33常(chang)數(shu)而(er)設(she)計的專用(yong)儀(yi)器，它可用來(lai)測量具(ju)有大壓(ya)電(dian)常(chang)數(shu)的(de)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)，小(xiao)壓(ya)電(dian)常(chang)數(shu)的(de)壓(ya)電(dian)單(dan)晶(jing)及壓(ya)電(dian)高分子(zi)材(cai)料(liao),PVDF薄(bo)膜壓(ya)樣(yang)品(pin)。ZJ-4擴展了(le)D31塊(kuai)體，D31薄(bo)膜拉(la)伸(shen)夾(jia)具(ju)，D15條狀夾(jia)具(ju)，D15圓(yuan)管(guan)夾(jia)具(ju),本儀器是(shi)從(cong)事壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)及(ji)壓(ya)電(dian)元件(jian)生(sheng)產(chan)、應(ying)用(yong)與(yu)研究(jiu)部門(men)的儀(yi)器。

二(er)、參考標(biao)準(zhun):
GB3389.4-82《壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)測試(shi)方法(fa) 縱向壓(ya)電(dian)應(ying)變(bian)常(chang)數(shu)d33的(de)靜態測試(shi)》

GB/T3389.5-1995《壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)測試(shi)方法(fa) 圓(yuan)片(pian)厚(hou)度(du)伸縮振(zhen)動(dong)模(mo)式(shi)》

GB000?Tj1.1/T3389.4-1982《壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)測試(shi)方法(fa) 柱(zhu)體縱向長度伸縮(suo)振(zhen)動(dong)模(mo)式(shi)》

GB/T 3389.7-1986《壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)測試(shi)方法(fa) 強(qiang)場介(jie)電(dian)性(xing)能(neng)的測試(shi)》

GB/T3389.8-1986《壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)測試(shi)方法(fa) 熱釋(shi)電(dian)系(xi)數(shu)的(de)測試(shi)

三(san)、產(chan)品(pin)主要(yao)功能(neng)：

測量壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)的(de)d33常(chang)數(shu)

測量具(ju)有大壓(ya)電(dian)常(chang)數(shu)的(de)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)

測量小壓(ya)電(dian)常(chang)數(shu)的(de)壓(ya)電(dian)單(dan)晶(jing)及壓(ya)電(dian)高分子(zi)材(cai)料(liao)

測量任意取(qu)向(xiang)壓(ya)電(dian)單(dan)晶(jing)以(yi)及(ji)某些壓(ya)電(dian)器件的等(deng)效(xiao)壓(ya)電(dian)d’33常(chang)數(shu)

薄(bo)膜PVDF壓(ya)電(dian)系(xi)數(shu)D33測試(shi)

D31塊(kuai)體，D31薄(bo)膜拉(la)伸(shen)夾(jia)具(ju)，D15條狀夾(jia)具(ju)，D15圓(yuan)管(guan)夾(jia)具(ju)四(si)套(tao)夾(jia)具(ju)

四(si)、主要(yao)技術(shu)指標

d33測量範(fan)圍：

×1擋(dang)：  20 至(zhi)6000pC/N

×0.1擋(dang)： 2 至(zhi)400pC/N。

可(ke)以(yi)配(pei)套(tao)PZT-JH10/4/8/12型壓(ya)電(dian)極化裝(zhuang)置使(shi)用

可(ke)以(yi)配(pei)套(tao)ZJ-D33-YP15壓(ya)電(dian)壓(ya)片機(ji)使(shi)用
誤(wu)差：×1擋：±2%±1個(ge)數(shu)字(zi)，當(dang)d33在100到4000pC/N；

計量標定標準(zhun)樣(yang)尺(chi)寸：18mm*0.8mm，老化時(shi)間：2-3年(nian)（評(ping)判(pan)壓(ya)電(dian)測試(shi)儀準(zhun)確性(xing)能(neng)的重(zhong)要(yao)依據(ju)之壹）

提(ti)供壓(ya)電(dian)薄(bo)膜標(biao)準(zhun)片：20*20MM

電(dian)壓(ya)保護(hu)：放(fang)電(dian)保護(hu)功(gong)能(neng)  

D31塊(kuai)體，D31薄(bo)膜拉(la)伸(shen)夾(jia)具(ju)，D15條狀夾(jia)具(ju)，D15圓(yuan)管(guan)夾(jia)具(ju)
±5%±1個數(shu)字(zi)，當(dang)d33在10到200pC/N；
×0.1擋(dang)：±2%±1個數(shu)字(zi)，(當(dang)d33在10到200pC/N)
±5%±1個(ge)數(shu)字(zi)，當(dang)d33在10到20pC/N。
分(fen)辨率：   ×1擋(dang)：1 pC/N；×0.1擋(dang)：0.1 pC/N。
尺(chi)寸(cun)：施力(li)裝(zhuang)置：Φ110×140mm；儀器本體：240×200×80mm。

頻(pin)率(lv)：110HZ

施(shi)加(jia)力(li)：0.2 N
重量：施力裝(zhuang)置：約(yue)4公斤(jin)；  
儀器本體：2公(gong)斤(jin)。
電(dian)源：220伏(fu)，50赫，20瓦。