ZJ-3/4系列壓電系數(shù)D33測試儀

講述壓電陶瓷器件中的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能拓展

壓電陶瓷因其可實現(xiàn)機械能與電能之間的雙向轉(zhuǎn)換，被廣泛應(yīng)用于能量采集器、換能器、機器人等領(lǐng)域。隨著3D打印等增材制造技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)加工難以實現(xiàn)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)逐步成為可能。本文綜述了壓電陶瓷器件中幾何形狀對能量轉(zhuǎn)換性能的影響，涵蓋多層結(jié)構(gòu)、彎曲器、螺旋體、殼體、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)及超材料等多種典型設(shè)計。為新型壓電器件的設(shè)計與制造提供參考。

壓電陶瓷簡介

壓電效應(yīng)是機械能和電能的耦合，壓電材料在眾多關(guān)鍵技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。其正向壓電效應(yīng)廣泛應(yīng)用于各類傳感器、超聲設(shè)備和能量采集器中；而逆向壓電效應(yīng)則常用于高精度驅(qū)動器及高功率超聲系統(tǒng)。目前，壓電陶瓷市場估值約為20億美元，主要由含鉛陶瓷（如PZT）主導(dǎo)。與單晶材料相比，陶瓷具有更高的可加工性，能夠較容易地制備成多種復(fù)雜形狀，因此成為壓電材料研究與應(yīng)用的核心方向。

壓電設(shè)備架構(gòu)圖

壓電陶瓷形狀的設(shè)計

雖然壓電陶瓷長期以來一直以傳統(tǒng)設(shè)計的形式使用，例如圓盤、平板、環(huán)和管，但制造方法的進步使得具有復(fù)雜形狀以及電極和極化網(wǎng)絡(luò)的非傳統(tǒng)壓電陶瓷成為可能。

壓電元件的形狀會影響其振動模式，進而影響機電耦合因子的解析表達(dá)式，如下圖。長寬比與標(biāo)準(zhǔn)要求不同的壓電元件將產(chǎn)生多種振動模式的重疊響應(yīng)。這使得在表征材料參數(shù)時阻抗譜的解釋變得復(fù)雜，并且需要進行額外的數(shù)據(jù)分析，尤其是當(dāng)這些元件用作設(shè)備中的傳感器時。

幾種諧振模式的機電耦合系數(shù)，其中 t 為厚度，d 為直徑，L 為其他尺寸，P 為極化方向

壓電元件的幾何形狀會顯著影響其耦合系數(shù)類型與大小。例如，相比板狀或柱狀結(jié)構(gòu)，薄圓盤在相同方向上的耦合系數(shù)較低。形狀由圓盤向柱或棒的轉(zhuǎn)變能夠增強縱向響應(yīng)。長寬比的變化也會對測得的電荷系數(shù)（如 d??）產(chǎn)生影響。實驗中測得的“有效"d??值可能與材料固有的d??不同。例如，Barzegar 等發(fā)現(xiàn) PZT 薄圓盤的 d??值普遍降低約 30%。Stewart 等進一步發(fā)現(xiàn)，薄圓盤中的厚度效應(yīng)使得軟 PZT 的 d??值降低，而硬 PZT 的值則升高。

此外，形狀相關(guān)的另一個關(guān)鍵因素是曲率。彎曲結(jié)構(gòu)中，由 d?? 分量引起的位移在邊緣處更顯著，并且壓電正應(yīng)力所產(chǎn)生的彎矩在曲面結(jié)構(gòu)中明顯大于直線結(jié)構(gòu)，從而進一步增強了壓電響應(yīng)。

ZJ-4 型壓電測試儀（靜壓電系數(shù)d33測量儀）,薄膜PVDF壓電系數(shù)測試儀
關(guān)鍵詞:壓電,陶瓷材料,高分子,d33/d15,15圓管夾具

一、產(chǎn)品介紹：

ZJ-4型壓電測試儀（靜壓電系數(shù)d33測量儀）是為測量壓電材料的d33常數(shù)而設(shè)計的專用儀器，它可用來測量具有大壓電常數(shù)的壓電陶瓷，小壓電常數(shù)的壓電單晶及壓電高分子材料,PVDF薄膜壓樣品。ZJ-4擴展了D31塊體，D31薄膜拉伸夾具，D15條狀夾具，D15圓管夾具,本儀器是從事壓電材料及壓電元件生產(chǎn)、應(yīng)用與研究部門的儀器。

二、參考標(biāo)準(zhǔn):
GB3389.4-82《壓電陶瓷材料性能測試方法 縱向壓電應(yīng)變常數(shù)d33的靜態(tài)測試》

GB/T3389.5-1995《壓電陶瓷材料性能測試方法 圓片厚度伸縮振動模式》

GB000?Tj1.1/T3389.4-1982《壓電陶瓷材料性能測試方法 柱體縱向長度伸縮振動模式》

GB/T 3389.7-1986《壓電陶瓷材料性能測試方法 強場介電性能的測試》

GB/T3389.8-1986《壓電陶瓷材料性能測試方法 熱釋電系數(shù)的測試

三、產(chǎn)品主要功能：

測量壓電材料的d33常數(shù)

測量具有大壓電常數(shù)的壓電陶瓷

測量小壓電常數(shù)的壓電單晶及壓電高分子材料

測量任意取向壓電單晶以及某些壓電器件的等效壓電d’33常數(shù)

薄膜PVDF壓電系數(shù)D33測試

D31塊體，D31薄膜拉伸夾具，D15條狀夾具，D15圓管夾具四套夾具

四、主要技術(shù)指標(biāo)

d33測量范圍：

×1擋：  20 至6000pC/N

×0.1擋： 2 至400pC/N。

可以配套PZT-JH10/4/8/12型壓電極化裝置使用

可以配套ZJ-D33-YP15壓電壓片機使用
誤差：×1擋：±2%±1個數(shù)字，當(dāng)d33在100到4000pC/N；

計量標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)樣尺寸：18mm*0.8mm，老化時間：2-3年（評判壓電測試儀準(zhǔn)確性能的重要依據(jù)之一）

提供壓電薄膜標(biāo)準(zhǔn)片：20*20MM

電壓保護：放電保護功能  

D31塊體，D31薄膜拉伸夾具，D15條狀夾具，D15圓管夾具
±5%±1個數(shù)字，當(dāng)d33在10到200pC/N；
×0.1擋：±2%±1個數(shù)字，(當(dāng)d33在10到200pC/N)
±5%±1個數(shù)字，當(dāng)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。

頻率：110HZ

施加力：0.2 N
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。