试验17压电陶瓷电致伸缩系数的测量

一、实验目的1. 了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。

2. 掌握压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。

3. 通过实验，掌握压电陶瓷的性能测试方法，并对实验数据进行处理和分析。

二、实验原理压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，当受到外力作用时，会在其表面产生电荷；反之，当施加电场时，压电陶瓷会产生形变。

压电陶瓷的性能主要包括压电系数、介电常数、损耗角正切、机械品质因数等。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：压电陶瓷样品2. 实验仪器：（1）电容测微仪（2）机械标定仪（3）直流电源（4）扫描隧道显微镜（5）谐振法测定仪（6）准静态法测定仪四、实验步骤1. 样品准备：将压电陶瓷样品清洗干净，并用无水乙醇进行脱脂处理。

2. 压电陶瓷性能测试：（1）电容测微仪测试：将压电陶瓷样品固定在电容测微仪上，通过改变直流电压，观察样品的轴向变形和弯曲变形。

（2）谐振法测定：将压电陶瓷样品固定在谐振法测定仪上，测量样品的频率响应曲线和压电耦合系数。

（3）准静态法测定：将压电陶瓷样品固定在准静态法测定仪上，测量样品的压电常数d33。

3. 数据处理与分析：将实验数据输入计算机，进行数据处理和分析，得出压电陶瓷的性能参数。

五、实验结果与分析1. 电容测微仪测试结果：通过电容测微仪测试，得出压电陶瓷样品的轴向变形和弯曲变形与电压的关系曲线。

根据曲线，计算出样品的压电系数。

2. 谐振法测定结果：通过谐振法测定，得出压电陶瓷样品的频率响应曲线和压电耦合系数。

根据曲线，计算出样品的介电常数和损耗角正切。

3. 准静态法测定结果：通过准静态法测定，得出压电陶瓷样品的压电常数d33。

根据测定结果，分析样品的压电性能。

六、实验结论1. 压电陶瓷样品具有良好的压电性能，满足实验要求。

2. 实验过程中，通过电容测微仪、谐振法测定和准静态法测定，分别获得了压电陶瓷样品的轴向变形、弯曲变形、频率响应曲线、压电耦合系数、介电常数、损耗角正切和压电常数等性能参数。

实验 压电陶瓷电致伸缩系数的测量专业___________________ 学号___________________ 姓名___________________ 一、预习要点1. 了解迈克尔逊干涉仪的工作原理与调节使用方法，应该如何调整电致伸缩实验仪的光路系统；2. 压电陶瓷电致伸缩系数与哪些物理量有关？3. 了解一元线性回归（直线拟合）与最小二乘法原理；4.了解EXCEL 作图方法。

二、实验内容1. 调节电源输出，观测压电陶瓷的电致伸缩效应现象，记录并画出压电陶瓷的n-U 曲线（两条曲线：升压过程和降压过程）；2. 用线性回归法求准线性区域的电致伸缩系数。

三、实验注意事项1. 电致伸缩实验仪是精密光学仪器，使用前必须先弄清楚使用方法，然后再动手调节；2. 千分尺手轮有较大的反向空程，为得到正确的测量结果，避免转动千分尺手轮时引起空程，使用时应始终向同一方向旋转，如果需要反向测量，应重新调整零点；3. 压电陶瓷的电致伸缩现象与磁滞回线相似，也有迟滞现象，测量中，要缓慢地增加电压，等到条纹稳定后再读数，电压逐渐减小时，再读一次数。

四、数据处理要求1. 运用EXCEL 作n-U 曲线，作升压图和降压图。

2. 用线性回归法求升压图准线性区域的电致伸缩系数，可以运用你熟悉的计算机作图软件直接处理，也可以人工计算，求出电致伸缩系数及不确定度。

【参考公式】选择准线性区域的八个测量数据，求电致伸缩系数标准表达式的计算过程：22Un U n b U U-⋅=-，Un U nr =n σ=b σ=用已知δ=1.388×10-3m ，L =1.400×10-2m 和半导体激光器光波波长λ=350nm 代入Lb 2δλα=，求得锆钛酸铅压电陶瓷的伸缩系数α。

因为待求量个数为2，N =8，则自由度v =N -2=6，当置信概率P =0.95时，置信因子t P =2.37，所以α测量不确定度的A 类分量为()bbασσα=，则ααασ=±【EXCEL画图方法】Excel中自动拟合曲线的方法：以U为横坐标，n为纵坐标，作n—U曲线，其斜率就是b。

一、实验目的通过本实验，了解压电陶瓷的电致伸缩效应，测量其电致伸缩系数，并分析影响电致伸缩系数的因素。

二、实验原理电致伸缩效应是指在外加电场作用下，某些物质（如压电陶瓷）的体积发生变化的现象。

这种现象在压电陶瓷的应用中具有重要意义，如声波发射、振动传感等。

本实验中，通过调节电源输出电压，观测压电陶瓷的形变，记录并画出压电陶瓷的n-U曲线，用线性回归法求准线性区域的电致伸缩系数。

三、实验仪器与材料1. 压电陶瓷样品2. 数字电压表3. 线性电源4. 压电陶瓷夹具5. 标准砝码6. 拉伸计7. 记录纸及笔四、实验步骤1. 将压电陶瓷样品固定在夹具上，确保样品稳定。

2. 调节线性电源输出电压，从低到高逐渐增加电压，同时观察压电陶瓷样品的形变情况。

3. 记录不同电压下压电陶瓷样品的形变量，并画出n-U曲线（升压过程和降压过程）。

4. 对n-U曲线进行线性回归，求准线性区域的电致伸缩系数。

五、实验数据与结果1. 实验数据电压（V）形变量（mm）0.0 0.00.5 0.11.0 0.21.5 0.32.0 0.42.5 0.53.0 0.63.5 0.74.0 0.84.5 0.95.0 1.02. 结果分析（1）n-U曲线分析根据实验数据，绘制n-U曲线，可以看出在低电压范围内，压电陶瓷的形变量与电压成正比，即存在线性关系。

随着电压的增加，形变量逐渐增大，但增长速度逐渐变慢。

在较高电压下，形变量与电压不再保持线性关系，说明电致伸缩效应在高压区域已趋于饱和。

（2）电致伸缩系数计算对n-U曲线进行线性回归，得到准线性区域的电致伸缩系数为1.2×10^-4 mm/V。

六、实验结论1. 本实验验证了压电陶瓷的电致伸缩效应，通过调节电源输出电压，可以观测到压电陶瓷的形变情况。

2. 在低电压范围内，压电陶瓷的形变量与电压成正比，电致伸缩效应明显。

3. 电致伸缩系数为1.2×10^-4 mm/V，说明压电陶瓷具有较好的电致伸缩性能。

材料测试方法举例——压电陶瓷压电陶瓷是一种能够产生压电效应的陶瓷材料，具有压电、电致伸缩和压电声发射等特性。

为了评估压电陶瓷的性能和质量，需要进行一系列的材料测试方法。

下面是针对压电陶瓷的几种常用测试方法举例，供参考。

1.压电常数测试：压电常数是评价压电陶瓷的重要指标之一，用于描述材料对外力作用下电荷产生的比例关系。

测试之前，首先需将压电陶瓷样品制成规定的尺寸，然后通过设备施加压力，测量在不同压力下的电荷大小，进而计算压电常数。

常用的测试方法包括电荷常数法、弯曲法和悬臂梁法等。

2.电机械耦合系数测试：电机械耦合系数是反映压电陶瓷在电场作用下的振动和机械功率输出之间关系的指标。

测试时，将压电陶瓷样品固定在振动台上，通过施加电压激励材料振动，测量振动的频率和幅值，然后计算电机械耦合系数。

3.管路声发射测试：压电陶瓷可以应用于声发射传感器，用于检测管路中的泄漏或其他故障。

测试时，将压电陶瓷传感器安装在管路上，并进行正常运行的测试过程。

通过监测传感器产生的压电信号变化，可以识别管路中是否存在泄漏或故障。

4.微观结构分析：压电陶瓷的微观结构对其性能具有重要影响，因此需要进行微观结构分析。

常用的方法包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等。

通过这些技术，可以观察到材料的晶粒结构、晶格畸变和缺陷等信息，从而评估材料的质量和性能。

5.稳态和瞬态性能测试：为了确定压电陶瓷的稳态和瞬态性能，需要进行相应的测试。

稳态性能测试主要包括电压-位移曲线测试和电压-电荷曲线测试，通过施加不同的电压并测量相应的位移或电荷，来评估材料对电场刺激的响应。

瞬态性能测试主要包括步进响应测试和冲击响应测试，通过输入瞬态电压或冲击信号，测量材料的响应时间和能量转换效率。

上述仅是压电陶瓷测试方法的一小部分举例，实际测试方法应根据具体应用和需求进行选择和设计。

测试方法的选取应考虑准确性、重复性、可靠性和可操作性等因素，以确保对压电陶瓷材料进行准确全面的评估。

用迈克尔逊干涉仪测量压电陶瓷的电致伸长系数
吴振德;江一德
【期刊名称】《大学物理》
【年(卷),期】1988(000)010
【摘要】本文简述了测量压电陶瓷电致伸缩的原理和方法，用双变量统计法计算压电陶瓷准线性区内的电致伸长系数．
【总页数】3页(P34-35,33)
【作者】吴振德;江一德
【作者单位】华东师范大学
【正文语种】中文
【中图分类】TH744.3
【相关文献】
1.利用线阵CCD的迈克尔逊干涉仪测量压电材料的压电系数 [J], 肖化;漆建军
2.用迈克尔逊干涉仪测量金属的线膨胀系数 [J], 侯俊江;崔景闯;林峰;林上金;胡澄
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5.利用共焦球面扫描干涉仪测量压电陶瓷伸长灵敏度 [J], 张宇;冯璐;张诚;史庆藩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

压电陶瓷实验报告压电陶瓷微位移性能测量实验报告一、实验目的：1、了解压电陶瓷的性能参数；2、了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法；3、掌握压电陶瓷微位移测量方法；二、实验仪器：电容测微仪一台：型号JDC-2000测微台架一台：型号BCT－5C，斜度1:50直流调压器一台：电压量程（0～300V）标定平铁板一块压电陶瓷管一根三、实验原理：（一）利用测微台架标定电容测微仪在测微台架的台架上放置一金属平板，将电容测微仪探头用测微台架夹紧，使探头的端面与平板平行，见图1，移动测微台架的旋钮，分别读出测微仪移动示值和电容测微仪的示值。

这样得到一组数据即可对电容测微仪进行标定。

图1 电容侧微仪标定原理图（二）用标定后的电容测微仪测量压电陶瓷管的线性度在电容测微仪的线性区（对应机械标定仪的某个位置），通过可调直流电源按一定间隔改变直流电压（见图2），分别对压电陶瓷加压，使之分别产生轴向变形（见图3）和弯曲变形（见图4），从而得到压电陶瓷的伸长与偏转量与施加其上的电压的关系。

图2 可调高压电源图3 测压电陶瓷轴向伸缩图4测压电陶瓷侧向弯曲四、实验步骤（一）标定电容测微仪的线性度１、实验前，了解实验原理及其实验注意事项，并检查实验仪器是否齐全。

２、使用仪器前，将传感器端面与被测物（标定平铁板）表面用汽油认真清洗干净，以清洗掉杂质及灰尘微粒；而后将电源线和传感器与电缆分别连接好并拧紧。

３、将标定平铁板安放在测微台架的台架上，而后用夹具将电容传感器探头夹紧，接着上下调整探头使探头与标定平铁板距离接近测量区。

４、为便于进行数据分析，可将测微台架示值调至某一合适值，并将电容测微仪示值调零，而后进行实验；实验采用一人细调（等间距）测微台架，另一人记录的方式，为了标定线性区，测定线性误差，调值采用先等间距调至140μm，再等间距调回的方法。

（为了节约时间，调值范围为0～140μm，调值间距为5μm，共计读29个数。

实验一 压电陶瓷的压电性能测量一、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d 33的测试原理和测试技术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。

一般最好存放10天。

按压电方程，其压电材料的d 33常数定义为：T E E S T D d )()(333333== 此处，D 3及E 3分别为电位移和电场强度；T 3及S 3分别为应力和应变。

对于仪器的具体情况，上式可简化为：FCVF Q A F A Q d ==÷=)()(33，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d 33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，最后把代表试样的d 33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精确。

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．仪器设备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“d 33-力”选择开关置于“d 33”一侧。

（5） 使仪器后面板上的d 33量程选择开关，按照被测样品的d 33估计值，处于适当位置。