材料實驗一：壓電陶瓷D33系數的壓電性能測量
一、實驗目的
1. 了解壓電陶瓷元件的電性能參數
2. 掌握壓電應變常數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為與試樣并聯的比試樣大很多（如大100倍）的大電容，以滿足測量d33常數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常數的大小及極性送三位半數字面板表上直接顯示。
準靜態法比通常的靜態法。靜態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，指示值不穩定。指示值穩定后，即可讀出d33的數值和極性。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，不必再調節測量頭上方的調節手輪，這樣既方便，還可使靜壓力保持一致。
（8） 為減小測量誤差，如有變化或換擋時，需重新調零。
(9) 根據公式計算該試樣的壓電電壓常數g33值
ZJ-3主要技術參數如下：
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個數字，當d33在100到4000pC/N；
±5%±1個數字，當d33在10到200pC/N；
×0.1擋：±2%±1個數字，(當d33在10到200pC/N)
±5%±1個數字，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。
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頻帶寬度 |
DC～7MHz |
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Y偏轉系數 |
10mV/div～5V/div, 分9檔 |
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X偏轉系數 |
0.2μS/div～0.1S/div, 分18檔 |
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X擴展 |
×2 |
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觸發源 |
內、外、電視場 |
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同步方式 |
自動、觸發 |
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有效顯示面 |
6div×10div(1div=0.6cm) |
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使用電源 |
AC 220V/50Hz |
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外形尺寸 |
240B×100H×300Dmm |
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重量 |
3kg |
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
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試樣編號 |
試樣描述 |
d33值 |
g33值 |
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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，分析影響性能參數的因素。
八、思考題
1．動態法和靜態法測量d33值有什么不同？
2.如何防止測量頭生銹？
