中科院声学所ZJ-3 型精密 D33 测试仪的设计与应用
摘要
本文详细介绍了 ZJ-3 型精密 D33 测试仪，阐述其在压电材料研究中的重要性。通过对仪器的工作原理、结构设计、技术参数、操作方法、性能测试及应用等方面的分析，展示了该测试仪在测量压电材料 d33 常数方面的优势。研究表明，ZJ-3 型精密 D33 测试仪具有测量范围宽、分辨率高、可靠性强、操作简便等特点，能为压电材料及压电元件的生产、应用与研究提供准确的数据支持，推动相关领域的发展。
关键词
ZJ-3 型测试仪；压电材料；d33 常数；测量
一、引言
压电材料在现代科技领域中具有广泛的应用，如传感器、执行器、超声换能器等。准确测量压电材料的性能参数对于其应用和发展至关重要。d33 常数作为压电材料的重要参数之一，反映了材料在纵向受力时产生电荷的能力。ZJ-3 型精密 D33 测试仪是专门为测量压电材料的 d33 常数而设计的仪器，其性能直接影响到对压电材料性能评估的准确性。本文将对 ZJ-3 型精密 D33 测试仪进行深入研究，介绍其工作原理、结构设计、技术参数、操作方法、性能测试及应用等方面的内容。
二、ZJ-3 型精密 D33 测试仪概述
2.1 压电材料与 d33 常数
压电材料是一类能够将机械能与电能相互转换的功能材料。当压电材料受到外力作用时，会在其表面产生电荷，这种现象称为正压电效应；反之，当在压电材料上施加电场时，材料会发生形变，这就是逆压电效应。d33 常数是描述压电材料正压电效应中纵向压电性能的重要参数，其定义为单位应力作用下在垂直于应力方向的电极面上产生的电荷密度，单位为 pC/N。d33 常数的大小直接反映了压电材料在纵向受力时产生电荷的能力，对于评估压电材料的性能和应用潜力具有关键意义。在实际应用中，如压电传感器利用正压电效应将外界压力、振动等机械信号转换为电信号进行检测，d33 常数越大，传感器的灵敏度越高；在压电执行器中，利用逆压电效应将电信号转换为机械位移，d33 常数影响着执行器的输出位移和驱动力。因此，准确测量 d33 常数对于压电材料的研究、开发和应用至关重要。
2.2 ZJ-3 型测试仪的研发背景与意义
随着压电材料在电子、通信、能源、医疗等众多领域的广泛应用，对压电材料性能的测量需求日益迫切。传统的测量方法和仪器在测量、测量范围、操作便利性等方面存在一定的局限性，难以满足现代科研和生产对压电材料性能高测量的要求。在此背景下，研发一款性能优越的 d33 常数测量仪器具有重要的现实意义。ZJ-3 型精密 D33 测试仪应运而生，它是科研人员经过深入研究和不断优化设计的成果。该测试仪的研发旨在解决现有测量仪器存在的问题，为压电材料及压电元件的生产、应用与研究提供可靠的测量手段。通过测量 d33 常数，能够更准确地评估压电材料的性能，为材料的选择、优化和创新提供有力的数据支持，从而推动压电材料相关技术的发展和应用领域的拓展。在材料研发过程中，科研人员可以根据 ZJ-3 型测试仪提供的准确 d33 数据，筛选出性能更优的压电材料配方和制备工艺，提高材料的性能和质量；在生产过程中，制造商可以利用该测试仪对产品进行质量检测和控制，确保产品的压电性能符合标准，提高产品的一致性和可靠性。
三、工作原理
3.1 正压电效应原理基础
正压电效应是 ZJ-3 型精密 D33 测试仪工作的基础原理。当压电材料受到外力作用时，其内部的晶体结构会发生变形，导致正负电荷中心发生相对位移，从而在材料的表面产生感应电荷。这种电荷的产生与外力的大小和方向密切相关。根据压电方程，对于各向异性的压电材料，其电位移与应力之间存在线性关系，在纵向受力情况下，d33 常数与电位移和应力的关系可表示为：D3=d33T3，其中D3为电位移，T3为纵向应力。这一关系表明，在已知应力的情况下，通过测量电位移即可计算出 d33 常数。在实际测量中，当在压电材料试样上施加一个垂直于其极化方向的外力时，根据正压电效应，在与极化方向垂直的两个表面上会产生等量异号的电荷。这些电荷的多少与施加的外力大小成正比，与材料的 d33 常数也成正比。例如，对于一块压电陶瓷试样，当在其厚度方向上施加压力时，在试样的两个表面会产生电荷，通过测量这些电荷的密度，结合施加的压力大小，就可以利用上述公式计算出该压电陶瓷的 d33 常数。
3.2 测试仪的测量原理详述
ZJ-3 型精密 D33 测试仪采用准静态测量方法来测量压电材料的 d33 常数。在仪器测量头内，一个频率约为 110Hz、大小约为 0.25N 的低频交变力，通过上下探头均匀地施加到标准样品与被测试样上。根据正压电效应，标准样品和被测试样在受到外力作用时，都会产生相应的电信号。这两个电信号首先经过高灵敏度的电荷放大器进行放大，以提高信号的强度，便于后续处理。放大后的信号再经过检波电路，将交流信号转换为直流信号，以便于测量和分析。之后，通过相除电路对两个信号进行处理，消除由于外力波动、环境干扰等因素对测量结果的影响。经过上述必要的处理后，终将代表被测试样 d33 常数大小及极性的信号送至三位半数字面板表上直接显示。在测量过程中，为了满足测量 d33 常数时的恒定电场边界条件，在仪器测量头内，与被测试样并联了一个比试样电容大很多（如大 100 倍）的大电容。这样可以保证在测量过程中，电场强度基本保持恒定，从而提高测量的准确性。这种准静态测量方法相较于通常的静态法，能够有效减小由于压电非线性及热释电效应带来的测量误差。静态法由于存在这些因素的影响，测量误差可达 30% - 50%，而 ZJ-3 型测试仪采用的准静态法能够将测量误差控制在较小范围内，提高了测量结果的可靠性。
四、结构设计
4.1 整体结构布局
ZJ-3 型精密 D33 测试仪主要由施力装置、信号处理单元和显示单元三大部分组成。施力装置位于仪器的前端，其作用是向被测压电材料试样施加稳定、准确的外力。施力装置采用了精密的机械结构设计，能够确保施加的力大小均匀、方向垂直于试样表面。信号处理单元位于仪器的内部位置，它负责对由正压电效应产生的电信号进行放大、检波、相除等一系列处理。信号处理单元采用了先进的电子元器件和电路设计，具有高灵敏度、低噪声的特点，能够有效提高测量信号的质量和准确性。显示单元位于仪器的面板上，采用三位半数字面板表，清晰直观地显示测量结果，包括 d33 常数的大小和极性。仪器的整体结构布局紧凑合理，各部分之间相互协调，便于操作和维护。在仪器的外壳设计上，采用了坚固耐用的材料，既能有效保护内部的电子元器件和机械结构，又具有良好的散热性能，确保仪器在长时间工作过程中能够保持稳定的性能。
4.2 关键部件设计
施力装置设计：施力装置的部件是力产生机构和力传递机构。力产生机构采用了高的电磁驱动装置，通过控制电流大小和频率，能够产生稳定的低频交变力。力传递机构采用了刚性好、高的连杆和探头，能够将力准确地传递到被测试样上，并且保证力的作用方向垂直于试样表面。在设计过程中，对施力装置的各个部件进行了优化，以减小摩擦力和惯性力对力传递的影响，提高力的施加。通过对力产生机构和力传递机构的精心设计和调试，使得施力装置能够产生大小约为 0.25N、频率约为 110Hz 的稳定交变力，满足准静态测量方法对施力的要求。
信号处理电路设计：信号处理电路是 ZJ-3 型测试仪的关键部分之一，它直接影响着测量结果的准确性和可靠性。信号处理电路主要包括电荷放大器、检波电路和相除电路。电荷放大器采用了高输入阻抗、低噪声的运算放大器，能够将微弱的电荷信号放大到适合后续处理的幅度。检波电路采用了精密的二极管检波电路，能够将放大后的交流信号准确地转换为直流信号。相除电路采用了模拟除法器，通过对标准样品和被测试样产生的电信号进行相除运算，消除了外界干扰因素对测量结果的影响，提高了测量的。在电路设计过程中，充分考虑了电路的抗干扰能力和稳定性，采用了屏蔽、滤波等措施，减少外界电磁干扰对信号处理的影响。通过对信号处理电路的优化设计，使得测试仪能够准确地测量和处理压电材料产生的微弱电信号，为准确测量 d33 常数提供了保障。
五、技术参数
5.1 d33 测量范围
ZJ-3 型精密 D33 测试仪具有较宽的 d33 测量范围，分为两档：
×1 挡：测量范围为 10 到 2000pC/N，可升级至 20 至 4000pC/N，甚至能够进一步升级到 10000pC/N。这一范围能够满足大多数具有较大压电常数的压电陶瓷材料的测量需求。在实际应用中，许多常用的压电陶瓷材料的 d33 常数都在这个范围内，例如 PZT 系列压电陶瓷，其 d33 常数通常在几百到几千 pC/N 之间，ZJ-3 型测试仪的 ×1 挡能够对其进行准确测量。
×0.1 挡：测量范围为 1 到 200pC/N，可扩展至 2 至 400pC/N。该挡位主要用于测量小压电常数的压电单晶及压电高分子材料。一些新型的压电单晶材料或压电高分子材料，其 d33 常数相对较小，在几 pC/N 到几十 pC/N 之间，×0.1 挡能够满足对这类材料的测量要求。较宽的测量范围使得 ZJ-3 型测试仪能够适应不同类型、不同性能压电材料的测量需求，具有广泛的适用性。
5.2 分辨率
测试仪在不同挡位下具有高分辨率：
×1 挡：分辨率为 1pC/N。这意味着在该挡位下，测试仪能够分辨出 d33 常数的微小变化，即使 d33 常数的变化量仅为 1pC/N，测试仪也能够准确地检测到并在显示面板上体现出来。这种高分辨率对于测量具有较大 d33 常数且需要测量其细微变化的压电材料非常重要，例如在研究压电陶瓷材料的性能优化过程中，可能需要观察 d33 常数随着制备工艺参数改变而发生的微小变化，×1 挡的高分辨率能够满足这一需求。
×0.1 挡：分辨率为 0.1pC/N。在测量小压电常数的材料时，×0.1 挡的高分辨率能够确保对微小 d33 常数的测量。对于那些 d33 常数在几 pC/N 到几十 pC/N 范围内的压电单晶或压电高分子材料，0.1pC/N 的分辨率能够提供非常准确的测量结果，为研究这类材料的压电性能提供可靠的数据支持。高分辨率保证了测试仪能够对压电材料的 d33 常数进行精细测量，提高了测量结果的准确性和可靠性。
5.3 误差范围
ZJ-3 型测试仪在不同测量范围内具有严格控制的误差范围：
×1 挡：当 d33 在 100 到 4000pC/N 时，误差为 ±2%±1 个数字。例如，当测量一个 d33 常数为 1000pC/N 的压电材料试样时，根据误差范围，测量结果可能在 1000×(1 - 2%) - 1 到 1000×(1 + 2%) + 1 之间，即 979 到 1021pC/N 之间。当 d33 在 10 到 200pC/N 时，误差为 ±5%±1 个数字。这是因为在较低的 d33 常数范围内，测量难度相对较大，外界干扰因素对测量结果的影响相对更明显，所以误差范围适当放宽，但仍能保证在可接受的范围内，以确保测量结果的可靠性。
×0.1 挡：当 d33 在 10 到 200pC/N 时，误差为 ±2%±1 个数字。在该挡位下，对于小压电常数材料的测量，能够保证较高的测量，误差控制在较小范围内，为研究小压电常数材料的性能提供了准确的数据基础。严格控制的误差范围表明 ZJ-3 型测试仪具有较高的测量准确性，能够为压电材料的研究和应用提供可靠的数据支持。
5.4 其他参数
尺寸：施力装置尺寸为 Φ110×140mm，仪器本体尺寸为 240×200×80mm。这样的尺寸设计使得仪器整体结构紧凑，既方便操作，又便于携带和安装。施力装置的尺寸设计能够保证其稳定地施加外力，同时不会占用过多空间；仪器本体的尺寸设计兼顾了内部电子元器件的布局和散热需求，以及操作人员对仪器操作的便捷性。
重量：施力装置约 4 公斤，仪器本体 2 公斤。较轻的重量使得仪器在使用和搬运过程中更加方便，无论是在实验室环境中进行常规测量，还是需要在不同地点进行现场测试，都能够轻松移动和部署。
电源：使用 220 伏，50 赫的交流电源，功率为 20 瓦。这种常见的电源规格使得仪器能够方便地接入各种实验场所的供电系统，20 瓦的低功率设计既满足了仪器正常工作的需求，又具有较低的能耗，节能环保。
六、操作方法
6.1 测试前准备
仪器检查：在使用 ZJ-3 型精密 D33 测试仪之前，首先要对仪器进行全面检查。检查仪器外观是否有损坏，各部件连接是否牢固。查看施力装置的探头是否有磨损或变形，如有问题应及时更换或修复，以确保施力的准确性。检查仪器的电源线是否连接正确，插头插座是否松动。打开仪器电源，观察仪器面板上的指示灯是否正常亮起，显示单元是否正常显示。如果发现仪器存在故障或异常情况，应立即停止使用，并进行维修或调试。
试样准备：对待测试样进行严格的预处理。首先，根据测量要求，选择合适尺寸和形状的压电材料试样，如圆片、圆环、圆管、方块、长条、柱形及半球壳等均可。对试样的表面进行清洁处理，去除表面的油污、灰尘等杂质，以保证试样与测量探头之间良好的电气接触。对于压电陶瓷试样，需要进行极化处理，使其具有稳定的压电性能。在进行极化处理时，要严格控制极化电场强度、极化时间和极化温度等参数，以确保极化效果的一致性。极化后的试样应放置一段时间，使其压电性能稳定后再进行测量。根据试样的类型和尺寸，选择合适的夹具将试样固定在施力装置的测量位置上，确保试样安装牢固，受力均匀。
仪器校准：为了保证测量结果的准确性，在每次测量前需要对仪器进行校准。使用已知 d33 常数的标准样品进行校准操作。将标准样品安装在施力装置上，按照正常测量步骤进行操作，记录仪器显示的测量值。将测量值与标准样品的已知 d33 常数进行比较，如果测量值与标准值之间的偏差超出了仪器规定的误差范围，则需要对仪器进行校准调整。通过调整仪器内部的校准参数，使仪器的测量值与标准值相符。校准过程应严格按照仪器的操作手册进行，确保校准的准确性。经过校准后的仪器才能进行准确的测量工作。
6.2 测量过程操作步骤
参数设置：根据被测试样的估计 d33 常数大小，选择合适的测量挡位。如果估计 d33 常数较大，在 100pC/N 以上，可选择 ×1 挡；如果估计 d33 常数较小，在 100pC/N 以下，可选择 ×0.1 挡。将仪器后面板上的 “d33 - 力” 选择开关置于 “d33” 一侧，确保仪器处于 d33 常数测量模式。
仪器预热：打开仪器电源，让仪器通电预热 10min。在预热过程中，仪器内部的电子元器件逐渐达到稳定工作状态，能够提高测量的准确性和稳定性。预热时间结束后，仪器方可进行准确测量。
调零操作：调节仪器前面板上的调零旋钮，使面板表指示在 “0” 与 “ - 0” 之间。调零操作是为了消除仪器的零点漂移误差，确保测量结果的准确性。在调零过程中，要确保测量头没有施加外力，处于空载状态。
试样测量：将安装好试样的施力装置放置在仪器的测量位置上，轻轻压下测量头的胶木板，使测量探头与试样紧密接触。此时，施力装置会向试样施加一个约 0.25N、频率为 110Hz 的低频交变力。由正压电效应产生的
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