高压放大器在压电材料综合性能测试中的应用

实验名称：压电材料综合性能测试装置的设计与搭建

测试设备：高压放大器、铁电分析仪、示波器、电容位移传感器等。

图1：压电测试腔

实验过程：

设计并加工了压电测试腔，如图1所示，然后搭建压电材料综合性能测试装置，测试过程中，压电材料的电畴翻转完全需要高达40kV/mm的电场，高压放大器最大可达到10000V高压，可以满足测试需求。信号发生器可以设置不同频率、幅值、波形的交变信号，通过高压放大器给压电测试腔内的样品施加电场激励，同时示波器采集信号发生器的电压信号。通过铁电分析仪可以获取压电样品的电极化强度。由电容位移传感器获得的样品位移可以计算出材料的应变。示波器采集上述信号就可以获取压电样品的电滞回线和蝶形曲线。

首先准备5mm×5mm×0.3mmPZT和BNT的片状试件，利用自主搭建的压电材料综合性能测试装置进行测试，测试过程主要分为三个部分。

第一：压电测试腔准备，由于试样为压电陶瓷比较易碎，需要把试样轻放在测试腔的上下夹具之间。为防止高压击穿试样，在压电测试腔内放入硅油。

第二：调试电容位移传感器。首先连接好电容位移传感器的各部件，把位移测头固定在传感器支座上，手动旋转螺旋机架调整测头和测量板的粗略位置关系，然后利用微动平台精准调节测头和测量板接触，此时观察电容位移传感器输出到示波器的电压信号，确保材料的位移变化在量程之内。

第三：控制系统的设置。在控制系统里输入试样的参数包括厚度、面积，电场设置为两个周期的三角波，每一个三角波的频率为1Hz，打开铁电分析仪、高压放大器，并把高压放大器的monitor电压输出连接至示波器，示波器处于滚动采集状态，系统开始测试。

由此获得PZT和BNT的电滞回线和蝶形曲线。

实验结果：

（1）获得的P-E曲线如下：

如图2-13和2-14所示，由于PZT和BNT材料本身固有属性的不同，PZT选择了外加电场强度E最大为14kV/cm~20kV/cm，而BNT的外加最大电场为30kV/cm~42V/cm。PZT和BNT分别在20kV/cm和42kV/cm时极化饱和。

（2）获得的蝶形曲线如下：

如图2-15所示，为PZT的曲线，四次双周期的三角波电场激励，最大电场分别为14kV/cm、16kV/cm、18kV/cm、20kV/cm。从图中可以看出PZT具有较好的耐压性，其击穿电场为20kV/mm，充分说明PZT试样的表面处理比较好，并且PZT试样内部具有较少的缺陷。

如图2-16所示，为BNT的曲线，采用双周期的三角波电场激励，最大电场分别为30kV/cm、32kV/cm、34kV/cm、40kV/cm。从图中可以看出BNT具有优越的的耐压性，其击穿电场高达42kV/cm，是PZT的两倍。

蝶形曲线中的波动是由于压电测试腔中的加载柱和滑动轴承之间的摩擦阻尼以及加载柱连接体本身重力所造成。因此，在应变上升阶段应变方向和重力方向反向，需要克服加载柱连接体重力和摩擦阻尼的作用，将应变传递到位移传感器。此时扰动较大，具体表现在蝶形曲线应变上升阶段的图形波动较大。而在应变下降阶段，应变方向和重力方向同向，只需克服加载柱和滑动轴承之间的摩擦阻尼作用。这也是蝶形曲线在应变下降阶段曲线比较光滑的原因。

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审核编辑 黄宇