*材料實(shí)驗(yàn)一:壓電陶瓷D33系數(shù)的壓電性能測(cè)量
*材料實(shí)驗(yàn)一:壓電陶瓷D33系數(shù)的壓電性能測(cè)量
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
1. 了解壓電陶瓷元件的電性能參數(shù)
2. 掌握壓電應(yīng)變常數(shù)d33測(cè)試儀原理和測(cè)試技術(shù)
3. 掌握諧振法測(cè)定壓電振子的頻率響應(yīng)曲線及壓電耦合系數(shù)的測(cè)試原理的方法
二.實(shí)驗(yàn)原理
壓電陶瓷元件在極化后的初始階段,壓電性能要發(fā)生一些較明顯的變化,隨著極化后時(shí)間的增長(zhǎng),性能越來(lái)越穩(wěn)定,變化量也越來(lái)越小,所以,試樣應(yīng)存放一定時(shí)間后再進(jìn)行電性能的測(cè)試。一般最好存放10天。
按壓電方程,其壓電材料的d33常數(shù)定義為:
此處,D3及E3分別為電位移和電場(chǎng)強(qiáng)度;T3及S3分別為應(yīng)力和應(yīng)變。對(duì)于儀器的具體情況,上式可簡(jiǎn)化為:,這時(shí),A為試樣的受力面積;C為與試樣并聯(lián)的比試樣大很多(如大100倍)的大電容,以滿足測(cè)量d33常數(shù)時(shí)的恒定電場(chǎng)邊界條件。
在儀器測(cè)量頭內(nèi),一個(gè)約0.25N,頻率為110Hz的低頻交變力,通過(guò)上下探頭加到比較樣品與被測(cè)試樣上,由正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的兩個(gè)電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、檢波、相除等必要的處理后,最后把代表試樣的d33常數(shù)的大小及極性送三位半數(shù)字面板表上直接顯示。
準(zhǔn)靜態(tài)法比通常的靜態(tài)法精確。靜態(tài)法由于壓電非線性及熱釋電效應(yīng),測(cè)量誤差可達(dá)30%~50%。
三.準(zhǔn)備儀器設(shè)備
中科院聲學(xué)所ZJ-3準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量?jī)x(的測(cè)量頭結(jié)構(gòu)外觀見(jiàn)下圖。)
四、實(shí)驗(yàn)步驟
1.一般操作
(1) 選檔:試樣電容值小于0.01μF對(duì)應(yīng)×1檔,小于0.001μF對(duì)應(yīng)×0.1檔。
(2) 用兩根多芯電纜把測(cè)量頭和儀器本體連接好。
(3) 把附件盒內(nèi)的塑料片插于測(cè)量頭的上下兩探頭之間,調(diào)節(jié)測(cè)量頭頂端的手輪,使塑料片剛好壓住為止。
(4) 把儀器后面板上的“d33-力"選擇開(kāi)關(guān)置于“d33"一側(cè)。
(5) 使儀器后面板上的d33量程選擇開(kāi)關(guān),按照被測(cè)樣品的d33估計(jì)值,處于適當(dāng)位置。
(6) 在儀器通電預(yù)熱10min后,調(diào)節(jié)儀器前面板上的調(diào)零旋鈕,使面板表指示“0"與“-0"之間。
(7) 去掉塑料圓片,插入待測(cè)試樣于上下兩探頭之間調(diào)節(jié)手輪,使探頭與樣品剛好夾持住,靜應(yīng)力應(yīng)盡量小,使面板表指示值不跳動(dòng)即可。靜壓力不宜過(guò)大,如力過(guò)大,會(huì)引起壓電非線性,甚至損壞測(cè)量頭。但也不能過(guò)小,以致試樣松動(dòng),指示值不穩(wěn)定。指示值穩(wěn)定后,即可讀出d33的數(shù)值和極性。當(dāng)測(cè)量大量同樣厚度的試樣時(shí),則可輕輕壓下測(cè)量頭的膠木板,取出已測(cè)試樣,插入一個(gè)待測(cè)樣品后,松開(kāi)膠木板即可,不必再調(diào)節(jié)測(cè)量頭上方的調(diào)節(jié)手輪,這樣既方便,還可使靜壓力保持一致。
(8) 為減小測(cè)量誤差,如有變化或換擋時(shí),需重新調(diào)零。
(9) 根據(jù)公式計(jì)算該試樣的壓電電壓常數(shù)g33值
ZJ-3主要技術(shù)參數(shù)如下:
ZJ-3 d33測(cè)量范圍:
×1擋:10到2000pC/N,20 至4000pC/N;
×0.1擋: 1到200pC/N,2 至400pC/N。
誤差:×1擋:±2%±1個(gè)數(shù)字,當(dāng)d33在100到4000pC/N;
±5%±1個(gè)數(shù)字,當(dāng)d33在10到200pC/N;
×0.1擋:±2%±1個(gè)數(shù)字,(當(dāng)d33在10到200pC/N)
±5%±1個(gè)數(shù)字,當(dāng)d33在10到20pC/N。
分辨率: ×1擋:1 pC/N;×0.1擋:0.1 pC/N。
尺寸:施力裝置:Φ110×140mm;儀器本體:240×200×80mm。
重量:施力裝置:約4公斤;
儀器本體:2公斤。
電源:220伏,50赫,20瓦。
頻帶寬度 | DC~7MHz |
Y偏轉(zhuǎn)系數(shù) | 10mV/div~5V/div, 分9檔 |
X偏轉(zhuǎn)系數(shù) | 0.2μS/div~0.1S/div, 分18檔 |
X擴(kuò)展 | ×2 |
觸發(fā)源 | 內(nèi)、外、電視場(chǎng) |
同步方式 | 自動(dòng)、觸發(fā) |
有效顯示面 | 6div×10div(1div=0.6cm) |
使用電源 | AC 220V/50Hz |
外形尺寸 | 240B×100H×300Dmm |
重量 | 3kg |
五、注意事項(xiàng)
1.操作前必須仔細(xì)閱讀使用說(shuō)明書(shū)。
2.進(jìn)行正式測(cè)量之前,儀器需預(yù)熱10min,并且調(diào)零。
六、實(shí)驗(yàn)記錄
將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入下表中
試樣編號(hào) | 試樣描述 | d33值 | g33值 |
七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求
1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,測(cè)試原理。
2. 試樣的記錄(形式、材料、性能、用途等)
3. 試樣結(jié)果,討論,分析影響性能參數(shù)的因素。
八、思考題
1.動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法測(cè)量d33值有什么不同?
2.如何防止測(cè)量頭生銹?
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