材料实验一：压电陶瓷D33系数的压电性能测量

一、实验目的

1. 了解压电陶瓷元件的电性能参数

2. 掌握压电应变常数d₃₃测试仪原理和测试技术

3. 掌握谐振法测定压电振子的频率响应曲线及压电耦合系数的测试原理的方法

二．实验原理

   压电陶瓷元件在极化后的初始阶段，压电性能要发生一些较明显的变化，随着极化后时间的增长，性能越来越稳定，变化量也越来越小，所以，试样应存放一定时间后再进行电性能的测试。一般好存放10天。

   按压电方程，其压电材料的d₃₃常数定义为：

   此处，D₃及E₃分别为电位移和电场强度；T₃及S₃分别为应力和应变。对于仪器的具体情况，上式可简化为：，这时，A为试样的受力面积；C为与试样并联的比试样大很多（如大100倍）的大电容，以满足测量d₃₃常数时的恒定电场边界条件。

    在仪器测量头内，一个约0.25N,频率为110Hz的低频交变力，通过上下探头加到比较样品与被测试样上，由正压电效应产生的两个电信号经过放大、检波、相除等必要的处理后，后把代表试样的d₃₃常数的大小及极性送三位半数字面板表上直接显示。

    准静态法比通常的静态法。静态法由于压电非线性及热释电效应，测量误差可达30%~50%。

三．准备仪器设备

中科院声学所ZJ-3准静态d33测量仪（的测量头结构外观见下图。）

四、实验步骤

1.一般操作

（1） 选档：试样电容值小于0.01μF对应×1档，小于0.001μF对应×0.1档。

（2） 用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好。

（3） 把附件盒内的塑料片插于测量头的上下两探头之间，调节测量头顶端的手轮，使塑料片刚好压住为止。

（4） 把仪器后面板上的“d₃₃-力”选择开关置于“d₃₃”一侧。

（5） 使仪器后面板上的d₃₃量程选择开关，按照被测样品的d₃₃估计值，处于适当位置。

（6） 在仪器通电预热10min后，调节仪器前面板上的调零旋钮，使面板表指示“0”与“-0”之间。

（7） 去掉塑料圆片，插入待测试样于上下两探头之间调节手轮，使探头与样品刚好夹持住，静应力应尽量小，使面板表指示值不跳动即可。静压力不宜过大，如力过大，会引起压电非线性，甚至损坏测量头。但也不能过小，以致试样松动，指示值不稳定。指示值稳定后，即可读出d₃₃的数值和极性。当测量大量同样厚度的试样时，则可轻轻压下测量头的胶木板，取出已测试样，插入一个待测样品后，松开胶木板即可，不必再调节测量头上方的调节手轮，这样既方便，还可使静压力保持一致。

（8） 为减小测量误差，零点如有变化或换挡时，需重新调零。

(9)  根据公式计算该试样的压电电压常数g₃₃值

ZJ-3主要技术参数如下：

ZJ-3 d33测量范围：

×1挡：10到2000pC/N，20 至4000pC/N；
×0.1挡： 1到200pC/N，2 至400pC/N。
误差：×1挡：±2%±1个数字，当d33在100到4000pC/N；
±5%±1个数字，当d33在10到200pC/N；
×0.1挡：±2%±1个数字，(当d33在10到200pC/N)
±5%±1个数字，当d33在10到20pC/N。
分辨率：   ×1挡：1 pC/N；×0.1挡：0.1 pC/N。
尺寸：施力装置：Φ110×140mm；仪器本体：240×200×80mm。
重量：施力装置：约4公斤；    
仪器本体：2公斤。
电源：220伏，50赫，20瓦。

五、注意事项

1.操作前必须仔细阅读使用说明书。

2.进行正式测量之前，仪器需预热10min，并且调零。

六、实验记录

将实验结果填入下表中

七、实验报告要求

1. 实验目的，测试原理。

2. 试样的记录（形式、材料、性能、用途等）

3. 试样结果，讨论，分析影响性能参数的因素。

八、思考题

1．动态法和静态法测量d₃₃值有什么不同？

2.如何防止测量头生锈？