温度大范围变化下叠堆式压电陶瓷输出特性测试方法与制作流程
压电陶瓷电特性测试与分析
摘要：通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。
通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知：压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点，所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显，在常温下工作较稳定，厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。
关键词：压电陶瓷；等效电路模型；电特性；可靠性0 引言压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。
它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。
与其他压电材料相比，具有化学性质稳定，易于掺杂、方便塑形的特点[1]，已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。
利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作人体红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。
通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。
为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。
我国对生态环境的保护也是相当重视的。
因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。
但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。
因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。
本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。
1 测量参数和实验方法依据目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下：GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试）GB 11312-89 压电陶瓷材料和压电晶体声表面波性能测试方法GB 11310-89 压电陶瓷材料性能测试方法相对自由介电常数温度特性的测试压电陶瓷蜂鸣片由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。
压电陶瓷的压电原理及制作工艺
混 合
预 烧
粉 碎
成 型
排 胶
测 试
极 化
上 电 极
机 加 工
烧 成
压电陶瓷的制作工艺
•配料（原料的选择和处理）
原料是制备压电陶瓷的基础。选择原料一 般应注意其化学组成和物理状态。
(1) 纯度
对纯度的要求应适度。高纯原料，价格昂 贵，烧结温度高，温区窄。纯度稍低的原料， 有的杂质可起矿化和助熔的作用，反而使烧结 温度较低，且温区较宽。过低纯度原料杂质多， 不宜采用。
•压电陶瓷内部结构（电畴形成）
①c轴方向决定自发极化取向 ②能量最低原则决定畴结构
晶格匹配要求 能量最低要求 晶胞自发极化取向 一致小区的存在 自发极化取向不一 致小区的搭配 晶粒中形成 一定的小区 排列状态— 畴结构
③相结构决定畴壁类型
压电陶瓷的压电原理
•压电陶瓷内部结构（电畴形成）
因为晶粒为四方相时，自发极化取向与原 反应立方相三个晶轴之一平行，所以，相邻两 个畴中自发极化方向只能成90°角或180°角， 相应电畴交界面就分别称为90°畴壁和180° 畴壁。
红外探测计
位移与致动器 激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器 存 贮 其它 调制
存贮
显示 非线性元件
光信息存贮器，光记忆器
铁电显示器，声光显示器等 压电继电器等
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷泵
进口
压电陶瓷 换能器
阀 出口
压电陶瓷的用途
•压电陶瓷喷墨打印
金属片 压电陶瓷 换能器 圆锥形容器 内液层 外墨水池
压电陶瓷极化台
压电陶瓷的用途
压电变压器电警棍
压电陶瓷的用途
压电陶瓷变压器雷 达显示器高压电源
压电陶瓷的压电原理及制作工艺
在强电场的作用下，使陶瓷内部产生电畴， 即压电效应的微观结构。
老炼
在高温和高电压下对极化后的陶瓷进行长时 间的老炼处理，以进一步提高其性能。
05
压电陶瓷的发展趋势与展望
高性能化
高压电电压常数
随着科技的发展，对压电陶瓷的 电压常数要求越来越高，以提高
其转换效率和应用范围。
高机械品质因数
机械品质因数是衡量压电陶瓷性能 的重要参数，提高其数值有助于降 低能量损耗，提高陶瓷的稳定性。源自电学品质因数总结词
电学品质因数反映了压电陶瓷的介电能与机械能之比，是评价其能量转换效率的 重要参数。
详细描述
高品质的压电陶瓷具有较高的电学品质因数，意味着其介电能转换为机械能的效 率高，能量损失小。
非线性效应
总结词
压电陶瓷在极化处理后具有显著的压 电效应和非线性效应。
详细描述
在极化处理后，压电陶瓷的压电常数 会随施加电压的增加而增大，表现出 非线性效应。这种非线性效应使得压 电陶瓷在某些应用中具有更高的性能 表现。
详细描述
压电陶瓷的压电常数、介电常数等性能参数随温度变化较小 ，具有良好的温度稳定性，使其在温度变化的环境中仍能保 持稳定的压电性能。
机械品质因数
总结词
机械品质因数反映了压电陶瓷的机械能与介电能之比，是评价其能量转换效率 的重要参数。
详细描述
高品质的压电陶瓷具有较高的机械品质因数，意味着其机械能转换为介电能的 效率高，能量损失小。
压电方程
压电方程定义
压电方程是描述压电陶瓷在机械力和 电场作用下的关系，是描述压电效应 的数学模型。
常用的压电方程
常用的压电方程包括d33E、g33E等， 其中d33E表示在3方向上施加单位力 时，材料产生的电荷量与施加的电压 之间的关系。
压电陶瓷制备工艺流程
压电陶瓷制备工艺流程下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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压电陶瓷的生产工艺
压电陶瓷的生产工艺压电陶瓷的生产工艺大致与普通陶瓷的生产工艺相似，但压电陶瓷的生产工艺有自己的特点，所以，在此以PZT即Pb（Zr,Ti）03系陶瓮为主，介绍压电陶瓷的必要工序及制作方法。
压电陶瓷的主要工艺流程：配料——球磨——过滤、干燥——预烧——二次球磨——过滤、干燥——过筛——成型——排塑——烧结——精修——上电极——烧银——极化——测试。
Ol原料处理首先，根据化学反应式配料。
所用的原料大多为金属氧化物，少数也可用碳酸盐（预烧时便分解为氧化物）。
为使生成压电陶瓷的化学反应顺利进行，要求原料细度一不超过2μm（平均直径）。
提高原料纯度，有利于提高产品质量，但这个问题不是绝对的，使用纯度较低廉的原料,选择适当的工艺条件，同样可以生产出性能优良的产品。
通常使用转动球磨机或振动球磨机进行原料混合及粉碎。
另外，在生产中往往还使用气流粉碎法，用高压气流的强力破碎作用，使粉料形成雾状，由于不用球石，可以避免杂质混入，而且效率提高。
预烧中的反应过程：预烧过程一般须经过四个阶段：线性膨胀(室温〜400℃),固相反应(400~750o C),收缩(750~850。
C)和晶粒生长(800~900°C以上)o02成型和排塑原料经预烧后，就合成了固溶体化合物。
再经一次粉碎，便可成型。
成型可根据不同的要求采用轧膜、压型或等静压等方式。
成型之前需加入粘合剂。
对轧膜的情况，粘合剂一般是粉料质量的15%~20%,对压型的情况只需加5%左右。
过多的粘合剂会使制品的致密度降低。
成型后生坯中的粘合剂、水分等必须加温排去，称为排塑或排胶。
03烧结排塑后的生坯重新装炉烧结。
影响烧结的因素很多，首先是配方的化学组成，当配方组成中有足够的活动离子时，烧结容易进行。
例如，PZT中错离子活动性差，所以PZT中错含量增加，烧结温度升高，烧结困难。
添加物对改善压电陶瓷性能和压电陶瓷的烧结起很大作用。
"软性〃添加物的共同特点是可以使陶瓷性能往〃软”的方面变化，也就是提高弹性柔顺系数，降低机械品质因子Qm值，提高介电常数，增大介电损耗。
压电陶瓷测试及压电材料相关制作介绍
压电陶瓷测试及压电材料相关制作介绍NBT基陶瓷的极化与压电性能测试2.4.1 NBT基陶瓷的极化1. 试样的制备为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。
烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。
电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。
首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。
然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。
将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。
附资料压电压片装置：ZJ-D33-YP15压电陶瓷压片机，材料压片机，粉末陶瓷压片机，超导材料压片机，新型能源压片机关键词：压片机，粉末，压片一、产品介绍：ZJ-D33系列型手动压电/材料压片机和电动压电/材料压片机广泛用于新材料，超导，粉末陶瓷，新型电源，建材等领域，可以配合ZJ-3/6/5型压电测试仪和钙铁分析，红外光谱(IR)，X荧光(XRF)分析仪器配套使用，用特定的模具可以压制成各种各样的片,柱及异型体,组合体等进行科学研究，应用非常广泛,使用简单、方便、可靠。
目前是国内高等院校进行自行科学材料研究的重要辅助工具。
二、应用范围：粉末陶瓷压片，新材料压片，超导压片，新型电源，建材压片三、特点：具有快速上压，快速退模，压力高，稳定性好，不漏油，无污染，维修简便四、主要技术资料一、手动型技术参数:压力范围: 0--15T，0-24T，0-30T，0-40T系统压力: 0--25 MPa ( 250Kgf /Cm*Cm )，0--40 MPa ( 400Kgf /Cm*Cm )，0--30 MPa ( 300 Kgf /Cm*Cm )，0--40 MPa ( 400Kgf /Cm*Cm )油缸升程: 0--20 mm，压力稳定性:≤1MPa / 10min运动模式: 带快速预紧.工作空间: 160×160×150 mm外形尺寸: 270×200×450 mm重量: 30 kg二、数显型特点及功能：1、微功耗，准确度高，高清晰度五位数字液晶显示。
压电陶瓷制备与测试实验报告
压电陶瓷制备与测试实验报告一、实验要求1、了解压电陶瓷的基本性能、结构、用途、制备方法。
2、了解压电陶瓷常见的表征方法及检测手段。
3、掌握压电陶瓷材料压电、介电性能等性能测试方法。
4、掌握压电陶瓷的性能分析方法。
二、压电陶瓷材料制备过程主要包括以下步骤：配料-混合-预烧-粉碎-成型-排胶-烧结-被电极-极化-测试。
1、配料：Bi2O3···14.1244113464136 Sc2O3···4.13930659262249 PbO···23.339070300907 TiO2···8.397211760056962、原料选用纯度高、细度小和活性大的粉料，根据配方或分子式选择所用原料，并按原料纯度进行修正计算，然后进行原料的称量。
按化学配比配料以后，使用行星式球磨机将各种配料混合均匀。
实验室常采用的是水平方向转动球磨方式，震动球磨是另一种常用的球磨方法，此外还有气流粉碎法等混合方法。
3、混合球磨后的原料进行预烧。
预烧是使原料间发生固相化学反应以生成所需产物的过程，预烧过程中应注意温度和保温时间的选择。
将预烧反应后的材料使用行星式球磨机粉碎。
4、成型的方法主要有四种；轧膜成型、流延成型、干压成型和静水压成型。
轧膜成型适用于薄片元件；流延成型适合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干压成型适合于块状元件；静水压成型适合于异形或块状元件。
除了静水压成型外，其他成型方法都需要有粘合剂，粘合剂一般占原料重量的3％左右。
成型以后需要排胶。
粘合剂的作用只是利于成型，但它是一种还原性强的物质，成型后应将其排出以免影响烧结质量。
5、烧结是将坯体加热到足够高的温度，使陶瓷坯体发生体积收缩、密度提高和强度增大的过程。
烧结过程的机制是组成该物质的原子的扩散运动。
烧结的推动力是颗粒或者晶粒的表面能，烧结过程主要是表面能降低的过程。
压电陶瓷制作工艺
17陶瓷样品的制备2.2.1陶瓷样品的制备流程将以上初始原料按照化学计量比称量后放在红外烘箱内干燥，装入密封的球磨罐中，对于含有Na2CO3试剂的系列样品，采用无水乙醇为球磨介质，其他系列样品则以蒸馏水为球磨介质球磨四小时。
将所得浆料和玛瑙磨球分离后烘干，而后装入氧化铝坩锅，按照不同体系采用不同预合成制度对于样品进行预合成。
陶瓷粉料的预合成过程是一种化学反应进行的过程。
这种化学反应不是在熔融状态下进行的，而是在比熔点低的温度下，利用固体颗粒间的扩散来完成的固相反应。
对体系（1）和（2）采用590℃×1h+710℃×1h+820℃×1h的预合成制度 [44]；由于体系（3）是高层数的铋层状结构，其合成需要较高的能量方能实现，故采用以的速率升至850~900℃的高温，之后保温2小时。
将预合成完的粉料手工研磨成200目左右的细粉，以质量比为5~8%加入聚乙烯醇（PVA）粘合剂造粒后并取120~150目粒径的粉料，在单向压力机上以的压力压制成直径为10毫米，厚度在~毫米范围内的圆片坯体。
经过550℃保温1小时排胶后在大气环境下对坯体进行烧结。
影响陶瓷烧结的因素主要有锻烧温度、保温时间和升温速率等。
锻烧温度对成瓷的质量极为重要，它直接影响到陶瓷的致密度和晶体生长。
烧结过程中致密度的提高主要是靠离子扩散来进行。
离子扩散的速度由扩散系数η决定。
扩散系数是温度的函数，即其中η0是与材料的性质和颗粒大小有关的常数，β是与活化能有关的常数。
由公式可以看出，当温度升高时，扩散系数增大，烧结过程加快；但温度过高，超过烧结温度的上限，则由于出现过多的液相，可能发生粘连，或由于挥发使密度下降，性能恶化，也会容易造成陶瓷发生较大的变形。
烧结温度对晶粒生长也有很大影响，随着温度的升高，晶粒生长的速度加快，所以温度过高也会使陶瓷由于晶粒生长过大而变脆，强度减弱。
保温时间、升温速率等对成瓷质量也有影响。
压电陶瓷的压电原理与制作工艺
压电陶瓷的压电原理与制作工艺1.压电陶瓷的用途随着高新技术的不断发展，对材料提出了一系列新的要求。
而压电陶瓷作为一种新型的功能材料占有重要的地位，其应用也日益广泛。
压电陶瓷的主要应用领域举例如表1所示。
2.压电陶瓷的压电原理2.1 压电现象与压电效应在压电陶瓷打火瓷柱垂直于电极面上施加压力，它会产生形变，同时还会产生高压放电。
在压电蜂鸣器电极上施加声频交变电压信号，它会产生形变，同时还会发出声响。
归纳这些类似现象，可得到正、逆压电效应的概念，即：压电陶瓷因受力形变而产生电的效应，称为正压电效应。
压电陶瓷因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。
2.2 压电陶瓷的内部结构材料学知识告诉我们，任何材料的性质是由其内部结构决定的，因而要了解压电陶瓷的压电原理，明白压电效应产生的原因，首先必须知道压电陶瓷的内部结构。
2.2.1 压电陶瓷是多晶体用现代仪器分析表征压电陶瓷结构，可以得到以下几点认识：（1）压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成，如图1所示。
图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片（2）每个小晶粒微观上是由原子或离子有规则排列成晶格，可看为一粒小单晶，如图2所示。
图2 原子在空间规则排列而成晶格示意图（3）每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图3所示。
图3 PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片（4）整体看来，晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，排列是混乱而无规则的，如图4所示。
这样的结构，我们称其为多晶体。
图4 压电陶瓷晶粒的晶格取向示意图2.2.2 压电陶瓷的晶胞结构与自发极化（1）晶胞结构目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、K x Na1-x NbO3、Pb(Zr x Ti1-x)O3等。
该类材料的化学通式为ABO3。
式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。
其晶胞（晶格中的结构单元）结构如图5所示。
图5 钙钛矿型的晶胞结构压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是有所变化的。
材料物理-性能测试实验之压电陶瓷的压电性能测量
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。
压电陶瓷的工艺流程
压电陶瓷的工艺流程
压电陶瓷是一种用于制作压电器件的材料，具有优异的压电性能。
下面将介绍压电陶瓷的工艺流程。
首先，压电陶瓷的生产过程始于原料的准备。
通常使用的原料包括氧化铅、氧化锆、氧化钛等。
这些原料按照一定的配比进行混合，并添加适量的稳定剂和助燃剂，以提高陶瓷的稳定性和烧结能力。
接下来，将混合好的陶瓷原料进行研磨，以使原料颗粒细化，并提高陶瓷的致密度。
研磨后的原料通过筛网进行筛选，去除不符合要求的颗粒。
然后，将筛选后的原料与一定量的有机溶剂混合，形成糊状物料。
该糊状物料需要进行脱泡处理，以去除其中的气泡，防止在后续的成型过程中对陶瓷产生不良影响。
接着，将脱泡后的糊状物料进行成型。
成型的方式可以采用注射成型、挤压成型等方法。
通过成型过程，获得所需形状的陶瓷坯体。
成型后的陶瓷坯体需要进行干燥处理，以去除其中的水分。
一般采用自然风干或者烘干的方式进行，确保陶瓷坯体的完全干燥。
干燥后的陶瓷坯体需要进行烧结处理。
烧结的温度通常较高，需要根据具体的材料和要求进行调整。
烧结的过程中，陶瓷坯
体会发生晶粒长大和相变等变化，进一步提高陶瓷的致密度和性能。
最后，将烧结完成的陶瓷进行机械加工和表面处理，以进一步提高陶瓷的精度和光洁度。
机械加工一般包括磨削、抛光等工艺，表面处理可以采用涂覆、喷漆等方式。
以上就是压电陶瓷的工艺流程。
通过严谨的原料配比、细致的工艺操作和精湛的加工技术，可以制备出性能优良的压电陶瓷器件。
叠堆压电陶瓷
叠堆压电陶瓷叠堆压电陶瓷是一种重要的功能材料，具有广泛的应用前景。
它以其独特的压电效应，被广泛应用于传感器、电器设备和医疗领域等。
在本文中，将介绍叠堆压电陶瓷的基本原理、制备方法和应用领域，并探讨其未来的发展潜力。
叠堆压电陶瓷是一种由铅酸锆钛（PZT）等压电材料制成的薄片，每个薄片都可以发生压电效应。
叠堆压电陶瓷的主要原理是由于材料内部存在的极化电荷和压力的相互作用。
当叠堆陶瓷收到外部压力时，其中的压电材料会发生变形，导致内部的极化电荷重新排列，从而产生电荷积累和电场变化，最终产生压电效应。
这种效应可以用于传感器的敏感元件，通过测量电荷和电场的变化来确定外界的压力、温度或应变等。
制备叠堆压电陶瓷的方法有几种。
最常用的方法是通过固相反应制备PZT陶瓷粉末，然后将其压制成薄片。
制备PZT粉末的方法包括湿法、干法和溶胶凝胶法等。
湿法方法将金属盐溶解在溶剂中，然后加入反应剂使其发生反应。
干法方法则是在高温下将金属氧化物混合，在氧化还原反应中生成PZT粉末。
溶胶凝胶法则是将金属酸盐与溶剂混合，制备胶体溶胶，然后通过干燥和烧结制备PZT陶瓷。
叠堆压电陶瓷具有许多广泛的应用领域。
其中最重要的是传感器领域，例如压力传感器、力传感器、加速度传感器和温度传感器等。
这些传感器使用叠堆压电陶瓷的压电效应来测量压力、力量、加速度和温度的变化，广泛应用于工业控制、航空航天和医疗仪器等领域。
此外，叠堆压电陶瓷还可以用于电子设备中的驱动器和振荡器，以及声学设备中的扬声器和麦克风等。
叠堆压电陶瓷还有许多其他的应用领域。
例如，它可以用于制作节能玻璃，通过电荷积累和电场变化控制玻璃的透明度，实现自动调节室内光照的功能。
此外，叠堆压电陶瓷还可以用于医疗领域，例如制作超声波传感器和声波手术刀等。
通过利用其压电效应，可以实现对病人的无创检测和治疗。
随着科技的进步，叠堆压电陶瓷的发展潜力仍然巨大。
首先，制备方法的改进将有助于提高陶瓷的性能和稳定性。
压电陶瓷的工艺流程
压电陶瓷的工艺流程压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应，可以在受到机械应力或电场刺激时产生电荷，也可以在受到外加电压时产生机械变形。
压电陶瓷在声波传感器、超声波发生器、压电陶瓷换能器等领域有着广泛的应用。
下面将介绍压电陶瓷的制造工艺流程。
1. 材料准备压电陶瓷的主要原料是氧化铅和氧化锆，此外还需要添加一定比例的助熔剂和稳定剂。
首先需要将这些原料按照一定的配方比例进行混合，以确保最终制成的陶瓷材料具有均匀的化学成分。
2. 粉碎和混合将原料进行粉碎，然后进行混合，以确保各种原料能够充分混合均匀，这样可以提高后续成型的均匀性和稳定性。
3. 成型将混合后的陶瓷粉末放入模具中，然后施加一定的压力进行成型。
常用的成型方法包括干压成型和注射成型。
干压成型是将陶瓷粉末放入模具中，然后施加高压进行成型；而注射成型是将陶瓷粉末与一定比例的有机添加剂混合后，通过注射成型机将其注入模具中，然后进行脱脂和烧结得到成品。
4. 烧结成型后的陶瓷坯体需要进行烧结，以提高其致密度和力学性能。
烧结温度和时间需要根据具体的配方和工艺要求进行控制，通常在氧化性气氛下进行烧结，以确保陶瓷材料的化学成分不发生变化。
5. 加工经过烧结后的陶瓷坯体需要进行加工，包括精密加工和表面处理。
精密加工包括车削、磨削和抛光等工艺，以确保陶瓷制品的尺寸精度和表面粗糙度符合要求。
表面处理则包括涂层、镀膜等工艺，以提高陶瓷制品的性能和外观。
6. 测试制成的压电陶瓷制品需要进行严格的测试，以确保其性能符合要求。
常见的测试项目包括压电性能测试、力学性能测试、尺寸精度测试等。
通过以上工艺流程，可以制备出高质量的压电陶瓷制品，满足各种工业和科研领域的需求。
压电陶瓷的制备工艺虽然复杂，但通过严格的工艺控制和精密的加工技术，可以获得稳定的产品质量和良好的性能表现。
压电陶瓷的极化原理和测试方法
压电陶瓷的极化原理和测试方法说实话压电陶瓷的极化原理和测试方法这事儿，我一开始也是瞎摸索。
我先来说极化原理吧。
我就感觉这个极化啊，就像是给一群不听话的小粒子排个队一样。
压电陶瓷里面呢有很多小晶粒，这些小晶粒里面又有自发极化的电畴。
在没有极化之前啊，这些电畴的方向是乱七八糟的。
当我们施加一个很强的电场的时候，就好像用一个大棒子指挥这些调皮的电畴，让它们尽可能朝着电场的方向排列。
我试了好多遍才渐渐有点感觉。
刚开始我都不确定电场要加到多大，我就一点点试。
比如说我从一个比较小的电场开始加，发现根本没什么效果，那些电畴就跟没听见指挥似的。
然后我就慢慢增大电场，但是增大到一定程度后，我又不敢加太大了，就怕把陶瓷给弄坏了。
后来看了好多资料才知道不同类型的压电陶瓷能够承受的最大电场是有一个范围的，这个一定要注意。
咱再说说测试方法。
我试过用电桥来测试压电陶瓷的一些电学性质。
这就好比是给陶瓷做个体检，让电桥这个“大夫”去测量它的电阻或者电容之类的东西。
但是一开始我总是接错线，那测量结果完全就是乱七八糟的。
经过好多次尝试才知道哪根线该接哪里。
还有就是测试压电系数的时候，我一开始就按照书上写的步骤，但怎么测出来的值都不太对。
我当时就特别苦恼。
后来我发现原来是我对样品的制备没有做到位。
像是在制备电极的时候，一定要确保电极和陶瓷表面接触良好，就好比给一个人量血压，那袖带得绑紧了才能量准。
在极化的时候还有些小的技巧。
比如说极化的温度也很重要。
我有一次就是在温度控制不好的情况下极化的，结果极化效果特别差。
就好像是给士兵在冷热不定的环境里训练，效率特别低。
还有就是极化之后的陶瓷，要放置一段时间再去测试，让它稳定稳定，这就像刚跑完步要休息下才能准确测量心跳一样。
这就是我在摸索压电陶瓷的极化原理和测试方法过程中的一些经历和心得，希望能给你一些帮助。
这里边还有太多需要探索的地方，我也常常碰到新问题呢。
压电陶瓷驱动器的力输出特性
压电陶瓷驱动器的力输出特性李颂华;左闯;张丽秀;魏超【摘要】目的研究压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性,为压电陶瓷驱动器力输出方面应用提供理论依据.方法首先,设计一种压电陶瓷力输出性能测试装置;然后,对预压力施加速度、施加预压力与电压的间隔时间、装置设计等外界因素对力输出特性影响进行分析;最后,使用最大输出力、平均迟滞度、最大曲线偏差值、曲线漂移量和曲线周期延迟量等多个评价指标,对PSt/150/4/7VS9型压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作、电压步长等条件下的力输出特性进行实验分析.结果压电陶瓷驱动器在150 N预压力和1Hz的电压频率条件下输出效果最好,最大输出力可达到116.56N,平均迟滞度为10.74％,曲线最大偏差为3.89％,曲线漂移量为-0.47 N;过多次循环工作会造成迟滞曲线的重复性变差和延迟累计增大现象;相同电压步长下,力输出增量随着起始电压的增大而增大.结论实验结果符合电畴翻转理论,且压电陶瓷驱动器具有力输出最佳工作条件.【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(034)002【总页数】10页(P350-359)【关键词】压电陶瓷;力输出;预压力;电压频率;循环工作;电压步长【作者】李颂华;左闯;张丽秀;魏超【作者单位】沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TN384;TH691.9压电陶瓷驱动器具有输出功率高、控制精度高和响应快等优点，作为一种理想的驱动器在精密机械、光学、半导体微元件和数字储存等领域广泛应用．但是其输出的迟滞特性、蠕变特性直接影响压电陶瓷驱动器精密控制的效果，其中迟滞特性指的是在相同工作条件下全测量范围，在同一输入量正行程和反行程输出不重合的现象，并用不重合量的最大偏差值占总输出的百分比来评价.蠕变特性指压电陶瓷驱动器输出与电压施加时间之间会产生相对滞后的效应．从而国内外针对压电陶瓷驱动器的输出特性和精确建模控制进行了大量研究.压电陶瓷驱动器宏观上表现为动力输出，在微观上主要为非180°电畴在电场的作用下翻转产生的，同时在降压过程非180°电畴不完全可逆引起了迟滞现象的发生[1]．根据铁电理论在外电场和外应力等因素作用下可改变畴的分布形态，从而引起压电陶瓷驱动器动力输出和迟滞现象的变化[2]，预压力可以引起压电陶瓷驱动器的晶体排列发生变化，经过试验分析适当的预压力可增大位移输出，减小迟滞度，且输入电压频率对压电陶瓷驱动器的迟滞特性具有影响作用[3]，同时压电陶瓷驱动器具有记忆擦除特性和次环一致特性，为压电陶瓷驱动器预测模型的建立提供了理论依据[4-5]．相同电压步长下随着初始电压的增加电畴翻转数量也会增加，因此压电陶瓷驱动器的输出位移相应增加[6]．压电陶瓷驱动器的蠕变量随着位移变化量的增加而增加，与电压变化的方向无关[7]．迟滞模型的建立主要分为物理模型与数学模型两大类．其中物理模型方面主要基于能量之间的转换关系建立，如基于摩擦力和弹簧系统弹力之间物理关系描述迟滞现象的Maxwell模型[8]，基于能量守恒原理描述迟滞现象的Jiles-Atherton模型[9]．在数学建模方面，主要在实验测试数据的基础上对迟滞现象进行全面的预测，如针对迟滞现象的外观特征出发的PI模型[10-12]，通过使用一系列迟滞算子加权叠加描述迟滞现象的Preisach模型[13-15]．在Preisach模型工作的基础上，使用神经网络建立迟滞模型[16-17]，在迟滞控制方面主要在预测模型的基础上求解逆模型进行前馈补偿[18]，PID反馈的复合控制[19]和基于预测模型补偿的滑模控制[20]．以上的研究主要针对压电陶瓷驱动器位移输出特性进行研究，并未对力输出特性进行研究，如基于压电陶瓷驱动器的轴承预紧力控制装置研究等主要针对其力输出特性进行应用，由于压电陶瓷驱动器在受到外力时内部电畴分布会发生变化，因此位移输出情况下的性质不完全适用于力输出情况，从而限制了压电陶瓷驱动器的应用．基于此，笔者主要对压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作和不同电压步长等条件下的力输出特性进行实验研究，求得压电陶瓷力输出效果最好的初始条件，为压电陶瓷驱动器力输出应用提供理论依据．1 实验方案的设计1.1 压电陶瓷驱动器基本参数及工作原理压电陶瓷驱动器力输出特性通过实验对PSt 150/4/7 VS9机械封装式压电陶瓷驱动器进行研究．压电陶瓷驱动器工作的本质是电介质在电场的作用下产生极化现象，微观上表现为电畴向保持自由度最小状态翻转，其中非180°电畴翻转对于压电陶瓷的输出具有决定性作用，180°电畴翻转对压电陶瓷驱动器的输出影响微弱．同时电介质感应极化效应所引起的电致伸缩也会引起压电陶瓷的位移或力输出，但是影响极其微弱因此可以忽略不计[1]．电畴在翻转过程中产生摩擦和不可逆翻转，以及内部障碍物的影响，引起的迟滞和蠕变现象一定程度上限制了压电陶瓷驱动器的精确使用．1.2 实验装置设计图1为压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性测试装置．图1 压电陶瓷驱动器测试装置Fig.1 Test device of piezoelectric actuators由图1可知：压电陶瓷驱动器测试装置根据奇石乐公司9257B型平面测力计结构参数进行设计．通过梁结构支架与平面测力计底座配合作用将压电陶瓷驱动器与测力传感器进行机械夹持．在支架上安装预压螺栓控制预压力，由于剪切力和转矩对压电陶瓷驱动器具有破坏作用，通过在支架上铣键槽放置滑块的方式实现将旋钮力转化为沿压电陶瓷轴线方向的压力，笔者使用其他设备包括HVA-150D.A1型驱动电源提供不同形式的电压，奇石乐公司提供的5080型号电荷放大器，奇石乐公司5697型数据采集系统．2 数据还原和初始条件施加过程对输出特性的影响笔者通过标准化数据还原与操作过程，为压电陶瓷驱动器在不同初始条件下获得重复性和稳定性较好力输出数据提供有效保证，同时也为如何安装压电陶瓷驱动器提供理论依据．2.1 数据还原过程中影响因素分析采样的频率过高会导致采集数据的重叠失真，采样频率过低会导致数据的漏采失真．因此对压电陶瓷在0～10 V驱动电压下进行不同采样频率测试实验．图2为10V电压步长不同采样频率下数据的对比关系．通过观察在105 Hz采样频率下数据呈现严重的带状分布，102 Hz采样频率时数据采样过于稀疏，都不能真实反应压电陶瓷驱动器输出的真实情况．104 Hz采样频率时虽然迟滞曲线呈现出较好的回环形状，但是曲线局部区域内具有过多尖锐的波峰和波谷．在103 Hz采样频率时能够较好的反应实验现象．图2 10V电压下的采样情况Fig.2 Sampling at 10V把实验采集的时间序列数据还原为电压序列迟滞回环数据，基准点的选择直接关系到输入电压能否与输出力值相对应，笔者采用以压电陶瓷驱动器每个周期输出力的峰值为数据还原的基准点，分别向上升阶段和下降阶段分别反向取半个周期点数还原的方法，对1 000 Hz采样频率，150 V驱动电压行程的情况下还原情况进行计算，对选定的上升阶段的初始点与其附件的最小值所在位置点的差值绝大多数可以保证在五个采样点数之内，即0.005 s时间误差，1.5 V电压误差范围之内，基本可以保证在10点采样点数之内，即0.01 s的时间误差，3 V电压误差范围之内，因此这种数据还原方法是可行的．2.2 初始条件施加过程对测试结果的影响分析预压力的施加速度、施加预压力与电压的间隔时间和测试装置滑块形状三个初始条件施加影响因素对压电陶瓷驱动器输出特性的影响．使得预压力施加和数据的测试具有一个标准化的过程，减小初始条件的施加过程对于压电陶瓷性能测试的影响．通过旋钮预压螺栓分别以5 N/s、15 N/s和50 N/s的速度均匀施加150 N预压力，并观测其在0～150 V电压下的输出情况，预压力施加速度过快导致压电陶瓷测试系统的稳定性和重复性变差，过小的加速度对于压电陶瓷的输出性能并无明显的提升．基于此，笔者采用15 N/s速度施加预压力，三组实验数据如表1所示．表1 不同施加速度力输出情况Table 1 Force output under different acceleration施加速度/(N·s-1)最大输出力/N平均迟滞度/%曲线最大偏差/%漂移量/N5116.5210.593.96-0.6115116.5610.743.89-0.4750115.1612.045.48-4.02 由于压电陶瓷驱动器本身性质和实验装置刚度等因素影响，因此分别在预压力施加完成后间隔10 s、30 s和1 min施加驱动电压，验证施加预压力与电压的间隔时间对于压电陶瓷力输出性能的影响，实验结果显示，间隔时间为10 s时测试装置与压电陶瓷未处于稳定状态，输出曲线出现明显的向下飘移的现象，最大输出力数值偏小，且测试结果重复性较差．间隔时间为1 min时且输出曲线呈现出向上飘移的趋势，经计算平均迟滞度明显增大．时间间隔为30 s时输出数据相对稳定，实验重复性好，且输出力的效果也非常好．图3为三种时间间隔输出情况的对比图．图3 不同时间间隔力输出情况Fig.3 Force output at different interval time分别制造宽窄两种滑块验证实验装置的设计对于压电陶瓷力输出特性的影响，宽的滑块会与键槽接触来将预压螺栓的扭转力转化为沿压电陶瓷轴线方向的压力，使用窄的滑块使滑块不与键槽接触，通过外界约束将螺栓的扭转力转化为沿压电陶瓷轴线方向的压力，分别在150 N预压力和0～150 V电压条件下实验分析，滑块对压电陶瓷输出性能影响的结果如表2所示，使用宽滑块时压电陶瓷力输出特性明显优于窄滑块．表2 滑块对输出性能影响Table 2 Influence of slider on output characteristic 滑块型号最大输出力/N平均迟滞度/%曲线最大偏差/%漂移量/N宽116.1311.283.92-0.09窄102.7514.433.890.563 压电陶瓷驱动器力输出特性分析压电陶瓷驱动器内部畴的分布形态会在外力和外电场的作用下发生改变，压电陶瓷驱动器在外电场的作用下微位移输出研究不完全适用于其在外力和电场共同作用下力输出应用．对压电陶瓷驱动器机械夹持情况下分别进行不同预压力、电压频率、循环工作和不同工作电压步长条件下进行实验分析研究其力输出特性．笔者采用单因素实验对压电陶瓷驱动器在不同的条件下的力输出特性进行分析．通过以下指标评价压电陶瓷驱动器的输出特性，其中最大输出力指压电陶瓷驱动器每个工作周期输出力的极大值与极小值之间差值，并选取多个循环周期中的最大值；由于压电陶瓷驱动器在力输出情况下的迟滞现象呈现一定的波动情况，因此采用平均迟滞度描述迟滞现象，平均迟滞度指压电陶瓷多个周期迟滞度的平均值，如未特殊说明均指7个周期迟滞度的平均值；曲线最大偏差值指的是不同周期相同的行程所对应的曲线最大差值所占最大力输出量的百分比；漂移量指的是输出力的最小值与坐标零点的差值．对于循环工作时提出的周期延迟指的是推导出最大输出力发生时间与实际发生时间的间隔．3.1 不同预压力下压电陶瓷驱动器的力输出特性压电陶瓷驱动器在不同预压力作用下位移输出与迟滞度均有很大的区别，并存在预压力最佳值使得输出状态最好，且弹性模量随着应力的增大先增大并逐渐趋于平缓[3-4]．位移输出情况下的预压力为弹簧施加的固定值，力输出情况相当于压电陶瓷驱动器在预压力基础上继续受到更大的作用力，因此位移输出与力输出有所不同．进行预压螺栓施加范围在30～240 N，间隔步长为30 N的预压力，输入1 Hz频率和0～150 V电压信号的压电陶瓷驱动器力输出特性实验，通过图4表示不同预压力情况下迟滞回环曲线变化情况，表3表示不同预压力下压电陶瓷驱动器的力输出特性，其中箭头所示方向为预压力增大方向．图4 不同预压力下的力输出特性Fig.4 Force output characteristics under different preload表3 不同预压力下的力输出特性Table 3 Force output characteristics under different preload预压力/N最大输出力/N平均迟滞度/%曲线最大偏差/%漂移量/N3099.5410.275.594.6460103.3411.705.03-2.6790108.6113.475.20-0.32120114.4714.085.241.92150116.5610.743.89-0.47180115.7811.514.45-0.73210114.7914.124.480.09240112.3613.375.17-1.31270111.0212.184.87-2.91实验结果显示在相同初始条件下，压电陶瓷驱动器的增加最大输出力随着预压力的增加呈现先增加后减小的趋势，曲线最大偏差量与漂移量随着预压力的增加呈现先减小后增加的趋势，但是迟滞度并未表现出明显的变化趋势，且曲线最大偏差等的变化趋势并不是十分明显，易受到初始条件施加过程影响，但是根据数据综合评定显示压电陶瓷在150 N预压力条件下输出效果较好，最大输出力116.56 N，此条件下平均迟滞度为10.74%，不同周期曲线最大偏差值3.89%，迟滞曲线漂移量-0.47 N，说明外力作用对电畴翻转具有一定影响，适度的预压力有利于提升压电陶瓷输出性能、重复性和稳定性．3.2 不同电压频率下压电陶瓷驱动器的力输出特性压电陶瓷驱动器在工作过程中由于电介质之间摩擦，以及自身刚度以及外界条件的限制，以及在不同的电压阶段和频率条件下内部的畴结构具有不同的翻转规律，同时机械夹持对于电畴的结构具有一定的改变作用，在不同频率驱动电压下的力输出特性会表现出微小的区别且现象与微位移输出时略有不同．测量压电陶瓷驱动器在150 N的预压力和0～150 V驱动电压条件下，不同频率驱动电压情况下的力输出特性．表4和图5共同表示压电陶瓷驱动器在不同频率驱动电压下的输出情况. 表4 不同电压频率下的输出特性Table 4 Output characteristics under different voltagefrequency电压频率/Hz最大输出力/N平均迟滞度/%曲线最大偏差/%漂移量/N1116.5610.743.89-0.4710113.9310.783.872.2120113.6611.019.106.5130111.1612.102.504.5640 110.6514.037.054.2450109.849.824.136.94图5 不同电压频率下的输出特性Fig.5 Output characteristics under different voltage frequency实验结果显示：压电陶瓷驱动器的最大输出力随着电压频率的增加而减小，但是分辨程度并不是十分明显．压电陶瓷的漂移量大致表现为随着驱动电压频率增加而增加的趋势，且平均迟滞度随着电压频率增大而增大，但是在50 Hz电压时平均迟滞度较小．输入电压频率10 Hz、20 Hz和40 Hz时迟滞曲线呈现波浪形状，经过频谱分析，得到频率为相应激励电压频率204倍的高频信号，此频率与曲线波动频率基本一致，并对测试装置梁结构进行模态分析得到一阶频率在3 743 Hz左右，与波动信号频率不一致，所以波动信号应该不是测量装置振动引起，压电陶瓷驱动器的力输出特性的稳定性和重复性均变差了．因此可以得出：压电陶瓷驱动器在1 Hz电压频率情况下力输出相对稳定且重复性较好，符合压电陶瓷驱动器在低频电压下工作相对稳定的结论．3.3 压电陶瓷驱动器循环工作时力输出特性由于压电陶瓷驱动器内部电畴翻转之间的相互作用，以及电解质晶格之间的摩擦和外部结构弹性变形等多方面因素的影响，压电陶瓷驱动器在循环驱动电压的作用下力输出特性略有不同．因此采用1 Hz频率和0～150 V的驱动电压对压电陶瓷驱动器力输出特性进行循环工作实验测试．图6和表5共同表示压电陶瓷14次循环工作时力输出特性．表中的位置指每个周期中最大迟滞度发生时对应的输入电压．图6 不同循环周期下的力输出特性Fig.6 Force output chara cteristics under different cycle表5 不同循环周期下的力输出特性Table 5 Force output characteristics under different cycle循环次数最大输出力/N迟滞度/%漂移量/N周期延迟/s位置/V1116.568.35-0.47063.02116.5011.44-0.590.00669.33116.4812.11-0.700.01097.54116.4313.34-0.700.00963.95116.536.52-0.830.02263.36116.4712.61-0.860.00167.87116.4510.81-0.860.01497.28116.399.53-0.880.01363.39116.4213.82-0.900.00470.210116.407.06-0.900.02259.411116.4013.21-0.940.00168.412116.476.34-0.960.01065.713116.3916.21-0.960.05067.814116.4411.86-0.960.01369.9实验结果显示在循环工作情况下，压电陶瓷最大输出力虽然会有微小的波动现象，但总体上呈现下降趋势．当循环7周期时平均迟滞度为10.74%，曲线最大偏差为3.89%，但是当14周期时平均迟滞度为10.94%，曲线最大偏差增大到了5.68%，说明迟滞度呈现波动变化，但是平均迟滞度保证在一个稳定区域范围内变化，但是过多次循环工作会对曲线重复性造成影响．漂移量随着循环次数增加呈现出减小趋势．两个相邻周期之间延迟0.01 s左右，并且呈现出累积增加的趋势，第14个周期时延迟累计已经达到0.13 s．最大迟滞度发生在59.4～70.2 V．3.4 不同电压步长下压电陶瓷驱动器的力输出特性不同起始电压以及电场强度会对电畴翻转状态造成一定影响，在150 N预压力和1 Hz电压频率下对压电陶瓷驱动器在不同电压步长和起始电压下力输出特性的分析．图7(a)为10 V电压步长，起始电压分别为0 V、40 V、90 V和140 V在下的力输出情况，图7(b)为50 V电压步长，起始电压分别为0 V、50 V和100 V下的力输出情况，为了更好地对比压电陶瓷驱动器在不同工作步长不同电畴翻转状态下的力输出特性，图中横坐标代表输入电压的增量值，纵坐标代表输出力的增量值.在机械夹持和相同电压步长条件下压电陶瓷驱动器的输出力增量会随着起始电压的增大而增大，且输出力的增大速度会随着电压的增加而增加．在10 V和50 V电压步长情况下压电陶瓷驱动器并没有表现出其在微位移情况下输出力增值先增大后减小的规律，说明机械夹持一定程度上限制了压电陶瓷驱动器的输出，即抑制了电畴翻转，随着电场的加强，极化的趋势越来越强，从而输出力增量随着起始电压的增加而增大．由图7(a)可以看出10 V电压步长时输出力呈现不规则锯齿状分布，经过对比分析这种现象在任何行程驱动电压回转变化时均有发生．图7 不同电压步长输出力Fig.7 Output force under different voltage travel4 结论(1)103 Hz采样频率和最大输出力最大值作为还原点条件时可以良好反映压电陶瓷驱动器的力输出特性.(2)压电陶瓷驱动器以15 N/s和在预压力施加完成30 s时进行实验的重复性和稳定性较好.(3)压电陶瓷驱动器在150 N预压力和1 Hz电压频率条件下的力输出特性较好.(4)压电陶瓷驱动器不适合多次循环工作，且输出力增量随着起始电压的增加而增大.参考文献[1] 史丽萍，魏艳波，魏喜雯，等．压电陶瓷迟滞非线性的成因与校正[J].黑龙江大学工程学报，2013，4(2):103-112.(SHI Liping，WEI Yanbo，WEI Xiwen，et al．Forming reason and correction for hysteresis nonlinearity of piezoelectric ceramics[J].Journal of engineering of Heilongjiang 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演示文稿压电陶瓷介绍和测试方法课件
电极
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基本知识介绍
压电效应
正压电效应：外界应力作用下（机械能），表面产生电荷（电能） 逆压电效应：外加电场作用下（电能），一定方向产生机械形变或机械压力
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
电能
F－ － － － － －
电能
＋＋＋＋＋
机械能
Ｅ
极化方向
－－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
第六页，共10页。
正压电效应
形变前的状况
形变后的状况
－ － － － － － 机械能
＋＋＋＋＋＋ 电
极化方向
场 方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应
基本知识介绍
压电传感器工作原理
是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量
受力、表面形变 压电器件 电荷
表现形式
第七页，共10页。
演示文稿压电陶瓷介绍和测试方法课 件
第一页，共10页。
（优选）压电陶瓷介绍和测试方法 课件
第二页，共10页。
主要内容
基本知识介绍
压电材料 压电效应 压电式传感器工作原理、技术参数及等效模型
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
组成架构及工作原理 PZT 不良背景介绍
测试方法推荐
第三页，共10页。
U 型刚体
交变电压 电荷变化
精确寻轨
PZT 元件
位移变化
HSA
HSA PZT 结构示意图
U 型刚体
悬臂弹性区
压电微制动器
滑块
音圈电机
悬臂刚性区
HSA 系统架构
第十页，共10页。
HSA PZT 结构切片示意图
压电陶瓷粉体的制备与测试
压电陶瓷材料是具有机电转换效应的一类功能材料，这种材料能够实现机械能与电能的相互转换，在机械，电子。
医疗，通讯，精密控制，国防军工等很多领域中应用广泛。
粉末颗粒的特性包括粒度，粒度分布，颗粒形状，孔隙度，Z 电势数值和比表面积等。
对于陶瓷材料制备而言，粉体的粒度及其分布状况关系到原煤料的加工时间，坯体的致密度大小，烧成温度的高低等问题，对制品的质量和性能起着极重要的作用。
制备方法则采用：1）传统固相法：将所需元素的氧化物，碳酸盐或硝酸盐通过球磨混合均匀，经过煅烧使这些盐类发生分解与固相反应，从而生成所需化学成分和晶相的陶瓷粉体。
工艺优点：技术成熟，工艺简单,成本低廉工艺缺点：颗粒较粗，活性较差，化学均匀性较差，易团聚。
2) 水热合成法：把常温常压下溶液中不容易进行的反应，通过将物系置于高温高压条件下来加速反应的进行工艺优点：低温下即可获得较纯粉体，晶粒发育良好，粒度分布均匀。
工艺缺点：晶化时间过长，不利于连续生产。
3）溶胶-凝胶法：将易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）溶解在某种溶剂中并使之与水发生反应而逐渐胶化，凝胶经干燥和高温处理制得所需的粉体材料。
工艺优点：化学均匀性好，粉体颗粒细且尺寸分布窄，设备简单。
工艺缺点：前驱体材料价格昂贵，有机溶剂对人体有害，制粉工艺较复杂。
粉体粒度测试方法：a) 激光法：当光束照射到气体或液体里的细颗粒时，光将向各个方向散射，并在颗粒背后产生瞬间阴影。
照射光有部份被颗粒吸收，部分产生衍射。
光的散射和衍射与颗粒的粒度有一定的关系。
优点：分析速度快，操作简单方便，分析检测范围广。
缺点：不宜测量粒度分布很窄的样品，分辨率相对较低。
b) 沉降法：颗粒的沉降速度与颗粒的大小有关，大颗粒的沉降速度快，小颗粒的沉降速度慢，因此只要测量颗粒的沉降速度，就可以得到反映颗粒大小的粒度分布。
优点：原理直观，分辨率较高，价格及运行成本低。
缺点：测量速度慢，不能处理不同密度的混合物，受环境和人为因素影响较大。
陶瓷电性能的测定 (压电陶瓷d33的测定)
3、准静态法：保留了动态法和静态法测量的优点，对被测试样形 状尺寸的要求放得很宽（片状、柱状、条状、圆管状、圆环状 甚至是半球壳等各种形状、尺寸的试样均能测量），其实用性 更强。此外还具有测量范围宽，分辨率细，可靠性高，操作简 单快捷等诸多特点。
二、实验原理：
仪器发出电驱动信号，使测试头内的电磁驱动
四、实验步骤：
1、用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接 通电源。 2、把附件盒内的Φ20尼龙片插入测量头的上下探头 之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。 3、把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d33”一 侧，此时前面板右上方绿灯亮；“量程选择”开关 一般置于“×1”档即可。 4、按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调 节“调零”旋钮使面板指示在“0”与“－0”之间跳 动，调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。调零一律 在“快速模式”下进瓷电性能的测定
（压电陶瓷d33的测定）
压电常数d33是压电陶瓷重要的特性参数 之一，它是压电介质把机械能（或电能）转换 为电能（或机械能）的比例常数，反映了应力 或应变和电场或电位移之间的联系，直接反映 了材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱。
一、测试方法：
1、动态法：压电常数精度高，但对被测试样的形状、尺寸有严格 的限制，测量方法也非常烦琐，同时还存在无法测得试样极性 的缺陷； 2、静态法：操作比较简单，还能同时测出被测试样的压电常数值 和极性，但对被测试样的形状、尺寸要求也比较苛刻，特别是 由于静态法测量中所施加的作用力较大以及压电材料固有的非 线性现象和热释电效应，造成测量误差较大，测试结果可信度 差。
部分产生一个约0.25牛顿，频率为110赫兹的低频
交变力，通过上下探头加到被测试样和内部的比较 样品上，由于两者在力学上串联，因而所受到的交 变力相等。由正压电效应产生出的两个压电电信号 再由仪器处理后，即显示其d33值和极性。
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本技术温度大范围变化下叠堆式压电陶瓷输出特性测试方法属于基于压电陶瓷作动器的风洞模型振动主动控制领域，涉及一种在温度大范围变化情况下，叠堆式压电陶瓷作动器的输出特性的测试方法。
该方法利用测试机构安装光纤位移传感器，压力传感器与叠堆式压电陶瓷作动器构成整个试验测试装置，再将测试装置与测控系统、电脑相连接组成整个测试系统。
利用测试装置对堆叠式压电陶瓷作动器施以一定的预紧力，通过压力传感器获得数据，通过位移传感器与压电陶瓷本身的输出应变进行对比，以获取其压力和位移等信息，将测试装置放入高低温环境试验箱，完成在大范围温度变化条件下对压电陶瓷作动器的输出特性的测试。
测试方法准确，方便，可行性高。
技术要求1.一种温度大范围变化下叠堆式压电陶瓷输出特性测试方法，该方法在测试试验机构上安装光纤位移传感器、叠堆式压电陶瓷作动器和压力传感器构成整个试验装置，再将测试装置与测控系统、电脑相连接组成整个实验系统；利用试验装置对堆叠式压电陶瓷作动器施以一定的预紧力，通过压力传感器获得数据，再通过光纤位移传感器连接到电脑与压电陶瓷本身的输出应变进行对比以获取其压力和位移等信息；将试验装置放入高低温环境试验箱，即可完成在大范围温度变化条件下对压电陶瓷作动器的输出特性的测试，该方法的具体步骤如下：第一步：在测试试验机构上安装光纤位移传感器、叠堆式压电陶瓷作动器和压力传感器构成整个试验装置测试试验机构由基座(5)、U型板(2)、垫片(3)和T形底座(10)构成，所述基座(5)由圆形底盘(51)和L型支架(52)组成，其中，L型支架(52)由半弧形结构(521)和凸出半圆环形结构(522)构成，基座(5)的圆形底盘(51)上加工有若干均布的螺纹孔，用于连接压力传感器(6)；先将T形底座(10)安装到压力传感器(6)的中心孔中，再将基座(5)穿过T形底座(10)安装到压力传感器(6)上；把叠堆式压电陶瓷作动器(4)贴合L型支架(5)的半弧形结构(521)安装到T形底座(10)上面；再将垫片(3)安装到叠堆式压电陶瓷作动器(4)的顶部，垫片(3)下端具有圆形凹槽(32)，凹槽尺寸为压电陶瓷的直径，垫片(3)上端为凸圆球面(31)；U型板(2)放置在垫片(3)上，U型板(2)上加工有通孔，螺栓通过通孔将U型板(2)和L型支架(52)连接起来，对叠堆式压电陶瓷作动器(4)施加预紧力；再将光纤位移传感器(1)安装到凸出半圆环形结构(522)的圆孔中，用U型板(2)定位夹紧；最后，用螺栓将基座(5)的圆形底盘(51)固定安装到压力传感器(6)上构成整个实验测试装置；然后将实验测试装置与测控系统(7)相连接，再与电脑(8)连接起来，整个实验测试系统安装完毕；第二步：根据实验的设计要求调节安装在U型板(2)和基座(5)的L型支架(52)螺栓，使其压力值达到预想预紧力；第三步：将整个试验装置放入到高低温环境箱(9)内，制造温度变化环境；然后操作整个测控系统(7)进行预先设计的实验，得到输出数据，包括光纤位移传感器(1)测量的位移值；压力传感器(6)测量的压力值；通过粘贴在叠堆式压电陶瓷作动器(4)表面的应变片获取其应变值以及高低温环境试验箱(9)测量的温度值；第四步：通过电脑(8)进行数据采集，信号调理，以及数据处理得出叠堆式压电陶瓷(4)的输出位移值以及其所受的压力值和叠堆式压电陶瓷(4)的上的应变片测得的应变值；综上通过整个测试系统得出实验数据，并进行相应的记录和保存；通过实验及以下公式得到相应的数据，位移传感器的模拟输出为0-5v电压,根据公式(1)得到其输出位移值：其中，ΔL表示位移传感器的位移值，S为灵敏度，由位移传感器的供销商提供的校准曲线给出了近端和远端线性范围内的灵敏度值得出，ΔU由实验得出，经过数据处理得到最终的电压变化；叠堆式压电陶瓷的位移值由公式(2)给出：ΔL＝ε×L (2)其中，ΔL表示叠堆式压电陶瓷的位移值，ε代表叠堆式压电陶瓷的轴向相对变形，L为压电陶瓷的长度；根据上述两个公式求得的位移值ΔL，取两者均值作为实验最终数据结果，对于大范围变化的温度环境，可直接由高低温环境箱的示数获得。
技术说明书温度大范围变化下叠堆式压电陶瓷输出特性测试方法技术领域本技术属于基于压电陶瓷作动器的风洞模型振动主动控制领域，涉及一种适用于在温度大范围变化情况下，叠堆式压电陶瓷作动器的输出特性的测试方法。
背景技术风洞模型试验旨在模拟复杂飞行状态，以获取飞行器的空气动力特性等，从而为其气动性能评估、系统操纵及设计等提供数据支撑。
然而，风洞模拟试验中跨声速风洞模型采用支杆尾撑的方式固定，飞行器模型在大攻角试验状态时由于气流分离会出现低频大幅振动，不但影响试验数据质量，严重情况下会发生支杆断裂，风洞易遭受破坏。
因此，必须进行风洞模型振动控制，确保风洞试验的顺利及安全的进行。
目前基于压电陶瓷作动器的风洞模型振动主动控制最为有效。
叠堆式压电陶瓷可完成快速可靠高频响应，但叠堆式压电陶瓷作动器的输出特性会受到风洞大范围变化温度的影响，低温风洞中影响更为严重。
未考虑叠堆式压电陶瓷受温度影响输出特性的振动主动控制方法会威胁风洞振动主动控制系统的稳定性和风洞试验的安全性。
因此，必须对温度大范围变化下叠堆式压电陶瓷的输出特性进行测试，为基于压电陶瓷作动器的风洞模型振动主动控制方法提供依据。
目前，对于叠堆式压电陶瓷的输出特性的测试：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所的刘宇刚，李占京等人研究的“一种压电陶瓷片同步测量装置”专利号为CN201820577952.3，其装置提供一种能够实现压电陶瓷片位移与力同步测量的方法，其中位移传感器为若干个，环绕被测压电陶瓷片设置，可以提高测量精度，但没有考虑被测压电陶瓷片与位移传感器之间存在位移差，影响压电陶瓷驱动器的微米级的位移变化的准确性，故不能应用于工程和测试系统。
技术内容本技术要解决的难题是根据现有技术的缺陷以及压电陶瓷作动器对于风洞支杆振动主动控制领域的主导作用，针对微米级位移变化的压电陶瓷以及实验中温度变化对其输出特性的影响，缺少对于叠堆式压电陶瓷受大范围温度影响条件下的输出特性的探究及装置等问题，技术了一种在温度大范围变化情况下，叠堆式压电陶瓷作动器的输出特性的测试方法。
该方法利用测试机构与叠堆式压电陶瓷作动器，光纤位移传感器，压力传感器以及高低温环境箱等共同构成一个针对压电陶瓷作动器输出特性的测试试验系统。
光纤位移传感器采用非接触式测量方法，不会对被测物体表面有接触影响，且测量精度高达3纳米，工作温度范围在-150℃至+850℃符合实验设计条件，利用光纤位移传感器测试压电陶瓷的输出位移值，作为对照选择安装在压电陶瓷表面的应变片共同测试其应变，用以保证实验数据的准确性和可靠性。
利用测试试验机构对堆叠式压电陶瓷作动器施以一定的预紧力，通过压力传感器获得其数据，温度变化环境采用高低温环境箱，以上选取设备仪器方便放入环境箱内，设备在实验设计温度环境下安全，高低温环境箱操作简便，控温精度高。
此方法可针对大范围温度变化条件下准确测试压电陶瓷的输出位移特性，由于风洞支杆振动控制系统的试验一般会在复杂环境条件下，实验环境温度多变；且对于高低温风洞条件下的模型试验研究热度日益增加，所以针对复杂环境温度影响条件下的叠堆式压电陶瓷作动器的输出特性研究就十分重要，本实验测试系统测试方法简单，操作方便，精度等级高，试验数据可靠。
本技术采用的技术方案是一种温度大范围变化下叠堆式压电陶瓷输出特性测试方法，该方法在测试试验机构上安装光纤位移传感器、叠堆式压电陶瓷作动器和压力传感器构成整个试验装置，再将测试装置与测控系统、电脑相连接组成整个实验系统；利用试验测试装置对堆叠式压电陶瓷作动器施以一定的预紧力，通过压力传感器获得数据，再通过光纤位移传感器连接到电脑与压电陶瓷本身的输出应变进行对比，以获取其压力和位移等信息，将试验装置放入高低温环境试验箱，即可完成在大范围温度变化条件下对压电陶瓷作动器的输出特性的测试；该方法的具体步骤如下：第一步：在测试试验机构上安装光纤位移传感器、叠堆式压电陶瓷作动器和压力传感器构成整个试验装置测试试验机构由基座5、U型板2、垫片3和T形底座10构成，所述基座5由圆形底盘51和L型支架52组成，其中，L型支架52由半弧形结构521和凸出半圆环形结构522构成，基座5的圆形底盘51上加工有若干均布的螺纹孔，用于连接压力传感器6；先将T形底座10安装到压力传感器6的中心孔中，再将基座5穿过T形底座10安装到压力传感器6上；把叠堆式压电陶瓷作动器4贴合L型支架5的半弧形结构521安装到T形底座10上面，再将垫片3安装到叠堆式压电陶瓷作动器4的顶部，垫片3下端具有圆形凹槽32，凹槽尺寸为压电陶瓷的直径，垫片3上端为凸圆球面31；U型板2放置在垫片3上，U型板2上加工有通孔，螺栓通过通孔将U型板2和L型支架52连接起来，对叠堆式压电陶瓷作动器4施加预紧力；再将光纤位移传感器1安装到凸出半圆环形结构522的圆孔中，用U型板2定位夹紧；最后，用螺栓将基座5的圆形底盘51固定安装到压力传感器6上构成整个实验测试装置；然后将实验测试机构装置与测控系统7相连接，再与电脑8连接起来，整个实验系统安装完毕；第二步：根据实验的设计要求调节安装在U型板2和基座5的L型支架52螺栓，使其压力值达到预想预紧力；第三步：将整个试验装置放入到高低温环境箱9内，制造温度变化环境，然后操作整个测控系统7进行预先设计的实验，得到输出数据，包括光纤位移传感器1测量的位移值；压力传感器6测量的压力值；通过粘贴在叠堆式压电陶瓷作动器表面的应变片获取其应变值以及高低温环境试验箱9测量的温度值；第四步：通过电脑8进行数据采集，信号调理，以及数据处理可以得出叠堆式压电陶瓷4的输出位移值以及其所受的压力值和叠堆式压电陶瓷4的上的应变片测得的应变值。
综上，通过整个测试系统得出实验数据，并进行相应记录和保存。
通过实验及以下公式得到相应的数据，光纤位移传感器的模拟输出为0-5v电压,根据公式(1)得到其输出位移值：其中，ΔL表示位移传感器的位移值，S为灵敏度，由光纤位移传感器的供销商提供的校准曲线给出了近端和远端线性范围内的灵敏度值得出，ΔU由实验得出，经过数据处理得到最终的电压变化；叠堆式压电陶瓷的位移值由公式(2)给出：ΔL＝ε×L (2)其中，ΔL表示叠堆式压电陶瓷的位移值，ε代表叠堆式压电陶瓷的轴向相对变形，L为压电陶瓷的长度；根据上述两个公式求得的位移值ΔL，取两者均值作为实验最终数据结果，对于大范围变化的温度环境，可直接由高低温环境箱的示数获得。
本技术的有益效果是基座与压力传感器连接，可实时监测预紧力；光纤位移传感器在探头和被测设备距离为0-5mm时测量精度最高，根据压电陶瓷的长度尺寸以及光纤位移传感器的探头长度设计基座的L型支架，垫片3下端具有圆形凹槽32，凹槽尺寸为压电陶瓷的直径，使得压电陶瓷与垫片安装稳固，防止其由于施加预紧力而造成垫片滑动，影响实验数据的准确性。