實驗名稱：壓(ya)電(dian)材料綜合性能測試(shi)裝置(zhi)的設計與搭建

　　測試設備(bei)：高壓放大(da)器、鐵電分析儀、示波器、電容位移傳感器等。

　　圖1：壓電測試(shi)腔

　　實驗過程：

　　設計并加工(gong)了壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)測(ce)試腔，如圖(tu)1所示(shi)，然(ran)后搭建壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材料綜合性能(neng)測(ce)試裝置，測(ce)試過程中，壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)材料的(de)(de)(de)電(dian)(dian)疇翻轉完全需要高達(da)40kV/mm的(de)(de)(de)電(dian)(dian)場(chang)，高壓(ya)(ya)(ya)放(fang)大(da)器(qi)最大(da)可(ke)(ke)達(da)到10000V高壓(ya)(ya)(ya)，可(ke)(ke)以(yi)滿足測(ce)試需求。信(xin)(xin)號發生器(qi)可(ke)(ke)以(yi)設置不同頻(pin)率(lv)、幅值、波形的(de)(de)(de)交變信(xin)(xin)號，通過高壓(ya)(ya)(ya)放(fang)大(da)器(qi)給(gei)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)測(ce)試腔內(nei)的(de)(de)(de)樣品施加電(dian)(dian)場(chang)激(ji)勵，同時(shi)示(shi)波器(qi)采(cai)集信(xin)(xin)號發生器(qi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)信(xin)(xin)號。通過鐵(tie)電(dian)(dian)分析儀可(ke)(ke)以(yi)獲取壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)樣品的(de)(de)(de)電(dian)(dian)極化(hua)強度。由電(dian)(dian)容位移傳感器(qi)獲得的(de)(de)(de)樣品位移可(ke)(ke)以(yi)計算出材料的(de)(de)(de)應(ying)變。示(shi)波器(qi)采(cai)集上述信(xin)(xin)號就可(ke)(ke)以(yi)獲取壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)樣品的(de)(de)(de)電(dian)(dian)滯回線(xian)和蝶(die)形曲線(xian)。

　　首先準(zhun)備5mm×5mm×0.3mmPZT和(he)BNT的片狀(zhuang)試(shi)(shi)件，利(li)用(yong)自主搭建的壓電材料(liao)綜(zong)合(he)性(xing)能(neng)測試(shi)(shi)裝置進行測試(shi)(shi)，測試(shi)(shi)過程主要分為(wei)三個(ge)部分。

　　第一：壓電測(ce)試(shi)(shi)腔準備，由于試(shi)(shi)樣(yang)為(wei)壓電陶(tao)瓷比較(jiao)易碎，需要把試(shi)(shi)樣(yang)輕放在測(ce)試(shi)(shi)腔的上下夾具之(zhi)間。為(wei)防(fang)止高壓擊穿試(shi)(shi)樣(yang)，在壓電測(ce)試(shi)(shi)腔內放入硅油。

　　第二：調試電(dian)(dian)容(rong)位(wei)(wei)(wei)移傳(chuan)感(gan)器。首先連接好電(dian)(dian)容(rong)位(wei)(wei)(wei)移傳(chuan)感(gan)器的各部件，把位(wei)(wei)(wei)移測頭固定在(zai)傳(chuan)感(gan)器支(zhi)座上(shang)，手(shou)動旋(xuan)轉螺旋(xuan)機架調整測頭和測量板的粗略位(wei)(wei)(wei)置關系，然后(hou)利用微動平臺(tai)精準調節測頭和測量板接觸，此時觀察電(dian)(dian)容(rong)位(wei)(wei)(wei)移傳(chuan)感(gan)器輸出到(dao)示波器的電(dian)(dian)壓信(xin)號，確保材料(liao)的位(wei)(wei)(wei)移變(bian)化在(zai)量程之內(nei)。

　　第三(san)(san)：控制(zhi)系統(tong)的設(she)置。在(zai)控制(zhi)系統(tong)里輸(shu)入(ru)試樣的參數包括厚度(du)、面積，電場設(she)置為兩個(ge)周期的三(san)(san)角波(bo)，每一個(ge)三(san)(san)角波(bo)的頻率為1Hz，打開鐵電分析儀、高壓放大(da)器，并把高壓放大(da)器的monitor電壓輸(shu)出連接至示波(bo)器，示波(bo)器處于(yu)滾動(dong)采集狀態，系統(tong)開始測試。

　　由此(ci)獲得PZT和(he)BNT的電滯回(hui)線和(he)蝶形曲線。

　　實驗結果：

　　（1）獲(huo)得的P-E曲線(xian)如(ru)下(xia)：

　　如(ru)圖2-13和(he)(he)(he)2-14所示，由于PZT和(he)(he)(he)BNT材料(liao)本身固有屬性(xing)的不(bu)同，PZT選(xuan)擇了外加(jia)電場(chang)(chang)強度E最(zui)大為14kV/cm~20kV/cm，而BNT的外加(jia)最(zui)大電場(chang)(chang)為30kV/cm~42V/cm。PZT和(he)(he)(he)BNT分(fen)別在(zai)20kV/cm和(he)(he)(he)42kV/cm時(shi)極化飽和(he)(he)(he)。

　　（2）獲得的蝶形(xing)曲線如下：

　　如圖2-15所示，為PZT的(de)(de)(de)曲線，四次(ci)雙周期的(de)(de)(de)三角(jiao)波電(dian)(dian)場激勵，最大(da)電(dian)(dian)場分(fen)別為14kV/cm、16kV/cm、18kV/cm、20kV/cm。從圖中可以(yi)看(kan)出PZT具有(you)(you)較(jiao)好的(de)(de)(de)耐壓性(xing)，其擊穿電(dian)(dian)場為20kV/mm，充分(fen)說明PZT試樣的(de)(de)(de)表面處理比較(jiao)好，并(bing)且PZT試樣內部具有(you)(you)較(jiao)少的(de)(de)(de)缺陷。

　　如圖2-16所示，為(wei)BNT的曲線(xian)，采(cai)用(yong)雙周期的三角波電(dian)(dian)場激勵，最(zui)大電(dian)(dian)場分別(bie)為(wei)30kV/cm、32kV/cm、34kV/cm、40kV/cm。從圖中(zhong)可以看出BNT具有優(you)越的的耐壓性，其擊穿電(dian)(dian)場高達42kV/cm，是(shi)PZT的兩倍。

　　蝶(die)形(xing)曲(qu)(qu)線(xian)中的(de)(de)(de)(de)(de)波(bo)動(dong)是由(you)于壓電(dian)測試腔中的(de)(de)(de)(de)(de)加載(zai)柱(zhu)和(he)(he)滑動(dong)軸(zhou)承之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)阻(zu)尼(ni)以及加載(zai)柱(zhu)連(lian)接(jie)體(ti)(ti)(ti)本身重力(li)所造成。因(yin)此(ci)，在(zai)(zai)應(ying)變(bian)(bian)(bian)上升階(jie)(jie)段(duan)(duan)(duan)應(ying)變(bian)(bian)(bian)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)和(he)(he)重力(li)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)反向(xiang)(xiang)，需要(yao)克(ke)(ke)服加載(zai)柱(zhu)連(lian)接(jie)體(ti)(ti)(ti)重力(li)和(he)(he)摩擦(ca)阻(zu)尼(ni)的(de)(de)(de)(de)(de)作用，將應(ying)變(bian)(bian)(bian)傳遞到位移傳感器。此(ci)時擾動(dong)較(jiao)大，具體(ti)(ti)(ti)表現在(zai)(zai)蝶(die)形(xing)曲(qu)(qu)線(xian)應(ying)變(bian)(bian)(bian)上升階(jie)(jie)段(duan)(duan)(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)圖形(xing)波(bo)動(dong)較(jiao)大。而在(zai)(zai)應(ying)變(bian)(bian)(bian)下降(jiang)階(jie)(jie)段(duan)(duan)(duan)，應(ying)變(bian)(bian)(bian)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)和(he)(he)重力(li)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)同(tong)向(xiang)(xiang)，只需克(ke)(ke)服加載(zai)柱(zhu)和(he)(he)滑動(dong)軸(zhou)承之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)阻(zu)尼(ni)作用。這(zhe)也是蝶(die)形(xing)曲(qu)(qu)線(xian)在(zai)(zai)應(ying)變(bian)(bian)(bian)下降(jiang)階(jie)(jie)段(duan)(duan)(duan)曲(qu)(qu)線(xian)比較(jiao)光滑的(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)。

　　電壓放大器(qi)推(tui)薦：ATA-7050

　　圖：ATA-7050高壓放大器指標參數

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