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中國院聲學所ZJ-3 型精密 D33 測試儀的設計與應用
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。
ZJ-3 型測試儀；壓電材料；d33 常數；測量精度
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、性能測試及應用案例等方面的內容。
2.1 壓電材料與 d33 常數
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：，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。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。
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，最終將代表被測試樣 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。
4.1 整體結構布局
ZJ-3 型精密 D33 測試儀具有較寬的 d33 測量范圍，分為兩檔：
×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。
×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。
×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。
×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 常數的精確測量。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。
×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。
×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精度，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。
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。
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。
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。
測試儀在不同擋位下具有高分辨率：
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：
6.1 測試前準備
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