高壓放大器在壓電材料綜合性能測試中的應用

實驗名稱：壓電材料綜合性能測試裝置的設計與搭建

測試設備：高壓放大器、鐵電分析儀、示波器、電容位移傳感器等。

圖1：壓電測試腔

實驗過程：

設計并加工了壓電測試腔，如圖1所示，然后搭建壓電材料綜合性能測試裝置，測試過程中，壓電材料的電疇翻轉(zhuǎn)完全需要高達40kV/mm的電場，高壓放大器最大可達到10000V高壓，可以滿足測試需求。信號發(fā)生器可以設置不同頻率、幅值、波形的交變信號，通過高壓放大器給壓電測試腔內(nèi)的樣品施加電場激勵，同時示波器采集信號發(fā)生器的電壓信號。通過鐵電分析儀可以獲取壓電樣品的電極化強度。由電容位移傳感器獲得的樣品位移可以計算出材料的應變。示波器采集上述信號就可以獲取壓電樣品的電滯回線和蝶形曲線。

首先準備5mm×5mm×0.3mmPZT和BNT的片狀試件，利用自主搭建的壓電材料綜合性能測試裝置進行測試，測試過程主要分為三個部分。

第一：壓電測試腔準備，由于試樣為壓電陶瓷比較易碎，需要把試樣輕放在測試腔的上下夾具之間。為防止高壓擊穿試樣，在壓電測試腔內(nèi)放入硅油。

第二：調(diào)試電容位移傳感器。首先連接好電容位移傳感器的各部件，把位移測頭固定在傳感器支座上，手動旋轉(zhuǎn)螺旋機架調(diào)整測頭和測量板的粗略位置關系，然后利用微動平臺精準調(diào)節(jié)測頭和測量板接觸，此時觀察電容位移傳感器輸出到示波器的電壓信號，確保材料的位移變化在量程之內(nèi)。

第三：控制系統(tǒng)的設置。在控制系統(tǒng)里輸入試樣的參數(shù)包括厚度、面積，電場設置為兩個周期的三角波，每一個三角波的頻率為1Hz，打開鐵電分析儀、高壓放大器，并把高壓放大器的monitor電壓輸出連接至示波器，示波器處于滾動采集狀態(tài)，系統(tǒng)開始測試。

由此獲得PZT和BNT的電滯回線和蝶形曲線。

實驗結(jié)果：

（1）獲得的P-E曲線如下：

如圖2-13和2-14所示，由于PZT和BNT材料本身固有屬性的不同，PZT選擇了外加電場強度E最大為14kV/cm~20kV/cm，而BNT的外加最大電場為30kV/cm~42V/cm。PZT和BNT分別在20kV/cm和42kV/cm時極化飽和。

（2）獲得的蝶形曲線如下：

如圖2-15所示，為PZT的曲線，四次雙周期的三角波電場激勵，最大電場分別為14kV/cm、16kV/cm、18kV/cm、20kV/cm。從圖中可以看出PZT具有較好的耐壓性，其擊穿電場為20kV/mm，充分說明PZT試樣的表面處理比較好，并且PZT試樣內(nèi)部具有較少的缺陷。

如圖2-16所示，為BNT的曲線，采用雙周期的三角波電場激勵，最大電場分別為30kV/cm、32kV/cm、34kV/cm、40kV/cm。從圖中可以看出BNT具有優(yōu)越的的耐壓性，其擊穿電場高達42kV/cm，是PZT的兩倍。

蝶形曲線中的波動是由于壓電測試腔中的加載柱和滑動軸承之間的摩擦阻尼以及加載柱連接體本身重力所造成。因此，在應變上升階段應變方向和重力方向反向，需要克服加載柱連接體重力和摩擦阻尼的作用，將應變傳遞到位移傳感器。此時擾動較大，具體表現(xiàn)在蝶形曲線應變上升階段的圖形波動較大。而在應變下降階段，應變方向和重力方向同向，只需克服加載柱和滑動軸承之間的摩擦阻尼作用。這也是蝶形曲線在應變下降階段曲線比較光滑的原因。

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圖：ATA-7050高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇