實驗名稱：功率(lv)放大器在超聲諧振(zhen)譜技術壓電材料性能表征研(yan)究中的應用

研究方向：

利用RUS技術定征壓電(dian)材(cai)料(liao)全矩陣材(cai)料(liao)系數的原理并(bing)給出了具體實施(shi)步(bu)驟，分(fen)析了該技術的優點與局限性；

實驗內容(rong)：

RUS技術(shu)定征(zheng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)體彈(dan)性(xing)和壓(ya)(ya)電(dian)(dian)系(xi)數(shu)(shu)(shu)原理如(ru)下，對于一個邊(bian)界條件已知的(de)長方(fang)體壓(ya)(ya)電(dian)(dian)樣(yang)(yang)品，其(qi)諧(xie)振頻率(lv)(lv)決定于該樣(yang)(yang)品的(de)幾何尺寸、密度、彈(dan)性(xing)、壓(ya)(ya)電(dian)(dian)及(ji)介電(dian)(dian)系(xi)數(shu)(shu)(shu)，其(qi)中，幾何尺寸可(ke)采(cai)用千分(fen)(fen)尺直接測量，密度可(ke)通(tong)過測量出(chu)的(de)體積(ji)和質量計算(suan)可(ke)得，自由(you)與夾持介電(dian)(dian)系(xi)數(shu)(shu)(shu)可(ke)分(fen)(fen)別由(you)阻抗分(fen)(fen)析(xi)儀測量出(chu)的(de)樣(yang)(yang)品低頻及(ji)高頻電(dian)(dian)容計算(suan)可(ke)得；反(fan)之，測量出(chu)樣(yang)(yang)品的(de)若干諧(xie)振頻率(lv)(lv)，即(ji)可(ke)對未知的(de)彈(dan)性(xing)及(ji)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)系(xi)數(shu)(shu)(shu)進(jin)行反(fan)演，故從單塊壓(ya)(ya)電(dian)(dian)樣(yang)(yang)品即(ji)可(ke)定征(zheng)出(chu)全矩陣(zhen)材料系(xi)數(shu)(shu)(shu)。壓(ya)(ya)電(dian)(dian)樣(yang)(yang)品諧(xie)振頻率(lv)(lv)對介電(dian)(dian)系(xi)數(shu)(shu)(shu)變化不敏感，故無法利用RUS技術(shu)對其(qi)進(jin)行反(fan)演。

測試設備：

ATA-4315高壓功(gong)率(lv)放大器、ATA-5620前置微小信號放大器、函數(shu)發生器。

實驗過程：下圖是RUS測試系統示意圖。信(xin)(xin)(xin)號(hao)發(fa)(fa)(fa)生器(qi)(qi)產生一掃頻信(xin)(xin)(xin)號(hao)，該信(xin)(xin)(xin)號(hao)經過(guo)功率(lv)放大(da)器(qi)(qi)（ATA-4012）放大(da)后，成(cheng)為激(ji)發(fa)(fa)(fa)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的輸入信(xin)(xin)(xin)號(hao)，激(ji)發(fa)(fa)(fa)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)激(ji)勵樣品(pin)產生振(zhen)動，振(zhen)動信(xin)(xin)(xin)號(hao)被接收(shou)(shou)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)接收(shou)(shou)后輸入到(dao)前置放大(da)器(qi)(qi)，經過(guo)處(chu)理，即可(ke)得到(dao)樣品(pin)的超聲諧振(zhen)譜(pu)。為保(bao)證測量(liang)結(jie)果的精(jing)度，激(ji)發(fa)(fa)(fa)與接收(shou)(shou)換(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)器(qi)(qi)的中心(xin)工作(zuo)頻率(lv)需遠(yuan)離擬測試的帶寬(kuan)，以避免樣品(pin)與測試系統發(fa)(fa)(fa)生諧振(zhen)。由于樣品(pin)振(zhen)動的激(ji)發(fa)(fa)(fa)信(xin)(xin)(xin)號(hao)已知，故(gu)非常適宜采用前置放大(da)進行微(wei)弱信(xin)(xin)(xin)號(hao)的提取(qu)。

圖RUS測試系統示意圖

實(shi)驗結果：

圖(tu)2長方形(xing)樣品被(bei)切(qie)割成(cheng)4塊小樣品

本(ben)文(wen)研究(jiu)了(le)RUS技(ji)(ji)術在(zai)(zai)定(ding)(ding)(ding)(ding)征(zheng)(zheng)壓電材(cai)料(liao)(liao)(liao)全矩陣材(cai)料(liao)(liao)(liao)參數及對壓電材(cai)料(liao)(liao)(liao)均(jun)勻性進行無損(sun)評估(gu)中的應用。利用該(gai)技(ji)(ji)術定(ding)(ding)(ding)(ding)征(zheng)(zheng)壓電材(cai)料(liao)(liao)(liao)全矩陣材(cai)料(liao)(liao)(liao)系數的最大優(you)點在(zai)(zai)于(yu)定(ding)(ding)(ding)(ding)征(zheng)(zheng)過(guo)程僅需(xu)要單塊樣品，從而可保證(zheng)定(ding)(ding)(ding)(ding)征(zheng)(zheng)結果的自洽；此外，利用該(gai)技(ji)(ji)術可定(ding)(ding)(ding)(ding)征(zheng)(zheng)出(chu)隨溫度變化的自洽材(cai)料(liao)(liao)(liao)系數。

該(gai)技術實施難點在于(yu)超聲諧(xie)(xie)振中諧(xie)(xie)振模(mo)式的識別，因為在超聲諧(xie)(xie)振譜測(ce)量過程中模(mo)式重疊與遺(yi)漏現象難以避免。該(gai)技術不足之(zhi)處在于(yu)其只能應用于(yu)高(gao)QM值(zhi)（＞300）壓(ya)電材料性(xing)能(neng)的(de)表(biao)征，若QM值(zhi)太低，難(nan)以對超聲諧振(zhen)譜中各諧振(zhen)模(mo)式進(jin)行準確識(shi)別。迄今為(wei)止，弛豫(yu)鐵電單晶生長不均(jun)勻問(wen)題尚未被徹(che)底(di)解決。目(mu)前(qian)，能(neng)夠對弛豫(yu)鐵電單晶均(jun)勻性(xing)進(jin)行無損評(ping)估(gu)的(de)技術非常有限。

表1 切(qie)割所得４塊樣品(pin)的cE66，εT22，εS22以(yi)及d33測量結果

針對弛豫鐵電單晶均(jun)勻(yun)性問題(ti)，發展出高效低成本的無損評(ping)估(gu)技術非常(chang)迫切。RUS技(ji)術(shu)(shu)檢(jian)測壓電(dian)(dian)材料均勻(yun)性的(de)最大優點(dian)(dian)(dian)在(zai)(zai)(zai)于(yu)它(ta)是一(yi)(yi)種無損且低(di)(di)(di)成本(ben)的(de)檢(jian)測技(ji)術(shu)(shu)，缺(que)點(dian)(dian)(dian)在(zai)(zai)(zai)于(yu)RUS技(ji)術(shu)(shu)僅是一(yi)(yi)種定性而非定量(liang)的(de)弛豫鐵電(dian)(dian)單晶(jing)均勻(yun)性評估技(ji)術(shu)(shu)。由于(yu)壓電(dian)(dian)材料不僅應(ying)用(yong)于(yu)常溫及高溫，還應(ying)用(yong)于(yu)超(chao)(chao)低(di)(di)(di)溫等環境，因(yin)此發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)出(chu)低(di)(di)(di)溫RUS技(ji)術(shu)(shu)是其發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)趨(qu)勢之一(yi)(yi)。為(wei)實(shi)現此目的(de)，開(kai)發(fa)(fa)可(ke)在(zai)(zai)(zai)低(di)(di)(di)溫環境下工作的(de)超(chao)(chao)聲探(tan)頭是關鍵。為(wei)了提(ti)高模式(shi)識別效率，發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)出(chu)超(chao)(chao)聲諧振(zhen)(zhen)譜的(de)多點(dian)(dian)(dian)測試(shi)技(ji)術(shu)(shu)是RUS技(ji)術(shu)(shu)的(de)另一(yi)(yi)發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)趨(qu)勢，如在(zai)(zai)(zai)采(cai)用(yong)超(chao)(chao)聲探(tan)頭測試(shi)樣(yang)品頂點(dian)(dian)(dian)振(zhen)(zhen)動(dong)的(de)同時，采(cai)用(yong)激光測振(zhen)(zhen)技(ji)術(shu)(shu)對樣(yang)

放大器在該實(shi)驗中的效能：

功率放(fang)(fang)大器在該(gai)實(shi)驗中，將函數發(fa)生器發(fa)出(chu)的波(bo)形進(jin)行(xing)(xing)放(fang)(fang)大，使(shi)該(gai)信號具備負(fu)載的能力，進(jin)而(er)進(jin)行(xing)(xing)測試，完成(cheng)實(shi)驗。

實驗中用到的功率放大器ATA-5620參數指標：

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