功率放大器​在超声谐振谱技术压电材料性能表征研究中的应用

研究方向：

利用RUS技术定征压电材料全矩阵材料系数的原理并给出了具体实施步骤，分析了该技术的优点与局限性；

实验内容：

RUS技术定征压电体弹性和压电系数原理如下，对于一个边界条件已知的长方体压电样品，其谐振频率决定于该样品的几何尺寸、密度、弹性、压电及介电系数，其中，几何尺寸可采用千分尺直接测量，密度可通过测量出的体积和质量计算可得，自由与夹持介电系数可分别由阻抗分析仪测量出的样品低频及高频电容计算可得；反之，测量出样品的若干谐振频率，即可对未知的弹性及压电系数进行反演，故从单块压电样品即可定征出全矩阵材料系数。压电样品谐振频率对介电系数变化不敏感，故无法利用RUS技术对其进行反演。

测试设备：

ATA-4315功率放大器、ATA-5620前置微小信号放大器、函数发生器。

实验过程：下图是RUS测试系统示意图。信号发生器产生一扫频信号，该信号经过功率放大器（ATA-4012）放大后，成为激发换能器的输入信号，激发换能器激励样品产生振动，振动信号被接收换能器接收后输入到前置放大器，经过处理，即可得到样品的超声谐振谱。为保证测量结果的精度，激发与接收换能器的中心工作频率需远离拟测试的带宽，以避免样品与测试系统发生谐振。由于样品振动的激发信号已知，故非常适宜采用前置放大进行微弱信号的提取。

图RUS测试系统示意图

实验结果：

图2长方形样品被切割成4块小样品

本文研究了RUS技术在定征压电材料全矩阵材料参数及对压电材料均匀性进行无损评估中的应用。利用该技术定征压电材料全矩阵材料系数的最大优点在于定征过程仅需要单块样品，从而可保证定征结果的自洽；此外，利用该技术可定征出随温度变化的自洽材料系数。

该技术实施难点在于超声谐振中谐振模式的识别，因为在超声谐振谱测量过程中模式重叠与遗漏现象难以避免。该技术不足之处在于其只能应用于高QM值（＞300）压电材料性能的表征，若QM值太低，难以对超声谐振谱中各谐振模式进行准确识别。迄今为止，弛豫铁电单晶生长不均匀问题尚未被彻底解决。目前，能够对弛豫铁电单晶均匀性进行无损评估的技术非常有限。

表1 切割所得４块样品的cE66，εT22，εS22以及d33测量结果

针对弛豫铁电单晶均匀性问题，发展出高效低成本的无损评估技术非常迫切。RUS技术检测压电材料均匀性的最大优点在于它是一种无损且低成本的检测技术，缺点在于RUS技术仅是一种定性而非定量的弛豫铁电单晶均匀性评估技术。由于压电材料不仅应用于常温及高温，还应用于超低温等环境，因此发展出低温RUS技术是其发展趋势之一。为实现此目的，开发可在低温环境下工作的超声探头是关键。为了提高模式识别效率，发展出超声谐振谱的多点测试技术是RUS技术的另一发展趋势，如在采用超声探头测试样品顶点振动的同时，采用激光测振技术对样

放大器在该实验中的效能：

功率放大器在该实验中，将函数发生器发出的波形进行放大，使该信号具备负载的能力，进而进行测试，完成实验。

审核编辑 黄宇