實(shí)驗(yàn)名稱：功率放大器在超聲諧振譜技術(shù)壓電材料性能表征研究中的應(yīng)用

研究方向：

利用RUS技術(shù)定征壓電材料全矩陣材料系數(shù)的原理并給出了具體實(shí)施步驟，分析了該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與局限性；

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

RUS技術(shù)定征壓電體彈性和壓電系數(shù)原理如下，對(duì)于一個(gè)邊界條件已知的長(zhǎng)方體壓電樣品，其諧振頻率決定于該樣品的幾何尺寸、密度、彈性、壓電及介電系數(shù)，其中，幾何尺寸可采用千分尺直接測(cè)量，密度可通過(guò)測(cè)量出的體積和質(zhì)量計(jì)算可得，自由與夾持介電系數(shù)可分別由阻抗分析儀測(cè)量出的樣品低頻及高頻電容計(jì)算可得；反之，測(cè)量出樣品的若干諧振頻率，即可對(duì)未知的彈性及壓電系數(shù)進(jìn)行反演，故從單塊壓電樣品即可定征出全矩陣材料系數(shù)。壓電樣品諧振頻率對(duì)介電系數(shù)變化不敏感，故無(wú)法利用RUS技術(shù)對(duì)其進(jìn)行反演。

測(cè)試設(shè)備：

ATA-4315高壓功率放大器、ATA-5620前置微小信號(hào)放大器、函數(shù)發(fā)生器。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：下圖是RUS測(cè)試系統(tǒng)示意圖。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一掃頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器（ATA-4012）放大后，成為激發(fā)換能器的輸入信號(hào)，激發(fā)換能器激勵(lì)樣品產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)被接收換能器接收后輸入到前置放大器，經(jīng)過(guò)處理，即可得到樣品的超聲諧振譜。為保證測(cè)量結(jié)果的精度，激發(fā)與接收換能器的中心工作頻率需遠(yuǎn)離擬測(cè)試的帶寬，以避免樣品與測(cè)試系統(tǒng)發(fā)生諧振。由于樣品振動(dòng)的激發(fā)信號(hào)已知，故非常適宜采用前置放大進(jìn)行微弱信號(hào)的提取。

 

圖RUS測(cè)試系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

 

圖2長(zhǎng)方形樣品被切割成4塊小樣品

本文研究了RUS技術(shù)在定征壓電材料全矩陣材料參數(shù)及對(duì)壓電材料均勻性進(jìn)行無(wú)損評(píng)估中的應(yīng)用。利用該技術(shù)定征壓電材料全矩陣材料系數(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于定征過(guò)程僅需要單塊樣品，從而可保證定征結(jié)果的自洽；此外，利用該技術(shù)可定征出隨溫度變化的自洽材料系數(shù)。

該技術(shù)實(shí)施難點(diǎn)在于超聲諧振中諧振模式的識(shí)別，因?yàn)樵诔曋C振譜測(cè)量過(guò)程中模式重疊與遺漏現(xiàn)象難以避免。該技術(shù)不足之處在于其只能應(yīng)用于高QM值（＞300）壓電材料性能的表征，若QM值太低，難以對(duì)超聲諧振譜中各諧振模式進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。迄今為止，弛豫鐵電單晶生長(zhǎng)不均勻問(wèn)題尚未被徹底解決。目前，能夠?qū)Τ谠ヨF電單晶均勻性進(jìn)行無(wú)損評(píng)估的技術(shù)非常有限。

表1 切割所得４塊樣品的cE66，εT22，εS22以及d33測(cè)量結(jié)果

針對(duì)弛豫鐵電單晶均勻性問(wèn)題，發(fā)展出高效低成本的無(wú)損評(píng)估技術(shù)非常迫切。RUS技術(shù)檢測(cè)壓電材料均勻性的最大優(yōu)點(diǎn)在于它是一種無(wú)損且低成本的檢測(cè)技術(shù)，缺點(diǎn)在于RUS技術(shù)僅是一種定性而非定量的弛豫鐵電單晶均勻性評(píng)估技術(shù)。由于壓電材料不僅應(yīng)用于常溫及高溫，還應(yīng)用于超低溫等環(huán)境，因此發(fā)展出低溫RUS技術(shù)是其發(fā)展趨勢(shì)之一。為實(shí)現(xiàn)此目的，開(kāi)發(fā)可在低溫環(huán)境下工作的超聲探頭是關(guān)鍵。為了提高模式識(shí)別效率，發(fā)展出超聲諧振譜的多點(diǎn)測(cè)試技術(shù)是RUS技術(shù)的另一發(fā)展趨勢(shì)，如在采用超聲探頭測(cè)試樣品頂點(diǎn)振動(dòng)的同時(shí)，采用激光測(cè)振技術(shù)對(duì)樣

放大器在該實(shí)驗(yàn)中的效能：

功率放大器在該實(shí)驗(yàn)中，將函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的波形進(jìn)行放大，使該信號(hào)具備負(fù)載的能力，進(jìn)而進(jìn)行測(cè)試，完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中用到的功率放大器ATA-5620參數(shù)指標(biāo)：

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