材料實驗一：壓電陶瓷D33系數(shù)的壓電性能測量

一、實驗目的

1. 了解壓電陶瓷元件的電性能參數(shù)

2. 掌握壓電應變常數(shù)d₃₃測試儀原理和測試技術

3. 掌握諧振法測定壓電振子的頻率響應曲線及壓電耦合系數(shù)的測試原理的方法

二．實驗原理

   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，隨著極化后時間的增長，性能越來越穩(wěn)定，變化量也越來越小，所以，試樣應存放一定時間后再進行電性能的測試。一般好存放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強度；T₃及S₃分別為應力和應變。對于儀器的具體情況，上式可簡化為：，這時，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，以滿足測量d₃₃常數(shù)時的恒定電場邊界條件。

    在儀器測量頭內，一個約0.25N,頻率為110Hz的低頻交變力，通過上下探頭加到比較樣品與被測試樣上，由正壓電效應產生的兩個電信號經過放大、檢波、相除等必要的處理后，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。

    準靜態(tài)法比通常的靜態(tài)法。靜態(tài)法由于壓電非線性及熱釋電效應，測量誤差可達30%~50%。

三．準備儀器設備

中科院聲學所ZJ-3準靜態(tài)d33測量儀（的測量頭結構外觀見下圖。）

四、實驗步驟

1.一般操作

（1） 選檔：試樣電容值小于0.01μF對應×1檔，小于0.001μF對應×0.1檔。

（2） 用兩根多芯電纜把測量頭和儀器本體連接好。

（3） 把附件盒內的塑料片插于測量頭的上下兩探頭之間，調節(jié)測量頭頂端的手輪，使塑料片剛好壓住為止。

（4） 把儀器后面板上的“d₃₃-力”選擇開關置于“d₃₃”一側。

（5） 使儀器后面板上的d₃₃量程選擇開關，按照被測樣品的d₃₃估計值，處于適當位置。

（6） 在儀器通電預熱10min后，調節(jié)儀器前面板上的調零旋鈕，使面板表指示“0”與“-0”之間。

（7） 去掉塑料圓片，插入待測試樣于上下兩探頭之間調節(jié)手輪，使探頭與樣品剛好夾持住，靜應力應盡量小，使面板表指示值不跳動即可。靜壓力不宜過大，如力過大，會引起壓電非線性，甚至損壞測量頭。但也不能過小，以致試樣松動，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。當測量大量同樣厚度的試樣時，則可輕輕壓下測量頭的膠木板，取出已測試樣，插入一個待測樣品后，松開膠木板即可，不必再調節(jié)測量頭上方的調節(jié)手輪，這樣既方便，還可使靜壓力保持一致。

（8） 為減小測量誤差，零點如有變化或換擋時，需重新調零。

(9)  根據(jù)公式計算該試樣的壓電電壓常數(shù)g₃₃值

ZJ-3主要技術參數(shù)如下：

ZJ-3 d33測量范圍：

×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個數(shù)字，當d33在100到4000pC/N；
±5%±1個數(shù)字，當d33在10到200pC/N；
×0.1擋：±2%±1個數(shù)字，(當d33在10到200pC/N)
±5%±1個數(shù)字，當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。

五、注意事項

1.操作前必須仔細閱讀使用說明書。

2.進行正式測量之前，儀器需預熱10min，并且調零。

六、實驗記錄

將實驗結果填入下表中

七、實驗報告要求

1. 實驗目的，測試原理。

2. 試樣的記錄（形式、材料、性能、用途等）

3. 試樣結果，討論，分析影響性能參數(shù)的因素。

八、思考題

1．動態(tài)法和靜態(tài)法測量d₃₃值有什么不同？

2.如何防止測量頭生銹？