原位式準靜態壓電材料溫度特性測試系統研發

摘" 要： 壓電材料的壓電?溫度特性會直接影響到壓電器件的工作穩定性，是壓電器件研發的重要依據。文中基于準靜態測量方法研制上、下位機系統，實現了原位壓電?溫度特性測試。其次，設計開發了變溫管式爐、激振器驅動、信號調理與采集電路，構建了準確的濾波與工頻陷波算法。實測結果表明，所設計系統測試結果穩定，能夠準確測量壓電?溫度特性并標定壓電材料相變溫度，可為壓電器件設計提供重要的參考。

關鍵詞： 壓電器件； 變溫系統； 準靜態測量方法； 壓電?溫度特性； 數字濾波； 相變溫度

中圖分類號： TN384?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）16?0028?05

Research on in?situ quasi?static piezoelectric material temperature

characteristic testing system

ZHANG Yuchan， SHI Xiang， TANG Ziwei， LIU Yuanyuan， DU Huiling

（College of Materials and Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054， China）

Abstract： The piezoelectric?temperature characteristics of piezoelectric materials can directly affect the working stability of piezoelectric devices， which is an important basis for the research and development of piezoelectric deviceson. On this basis， an upper?lower computer system is developed based on the quasi?static measurement method to realize the in?situ piezoelectric?temperature characteristic test. Variable temperature tube furnace， shaker driver， signal conditioning and acquisition circuit are designed and developed， and accurate filtering and power frequency trapping algorithm is constructed. The actual testing results show that the designed system has stable test results， can accurately measure the piezoelectric?temperature characteristic and calibrate the phase transition temperature of piezoelectric material， and can provide important references for the design of piezoelectric devices.

Keywords： piezoelectric device; variable temperature system; quasi?static measurement method; piezoelectric?temperature characteristic; digital filtering; phase transition temperature

0" 引" 言

壓電材料具有位移分辨率高、頻率特性好、輸出力大、無電磁干擾等優點，被廣泛應用于高精度濾波器、傳感器和驅動器等電子元器件領域[1?4]。壓電性能是由于某些材料具有特殊的晶格結構，在受到外力或電激勵時出現電荷不平衡分布或形變的現象，從而產生的力電耦合行為。

隨著溫度變化導致材料相變，材料的壓電性能也會發生變化，并且在居里溫度以上。由于材料晶格的高對稱性，壓電材料將會失去壓電性而導致器件失效。因此，對壓電器件的溫度特性進行測試和標定已成為壓電器件開發過程中的重要步驟[5?6]。

目前針對壓電器件開展的壓電?溫度特性測量往往直接對器件本身進行測試，而如果能對壓電材料的壓電?溫度特性進行測試研究，可以更好地指導壓電器件的設計與研制工作。壓電材料最為常用的壓電性能參數是壓電應變系數diu，其中下標i和u分別代表壓電材料的應變和電場強度方向。而壓電應變系數d33是壓電器件最為常用的壓電性能參數，直接關系到器件的性能。為了測量壓電?溫度特性，已有研究者開發了原位式d33溫度特性測試系統[7?8]。

該系統采用激光測微儀測試壓電材料的逆壓電效應從而換算壓電系數，但設備昂貴，并且沒有實現自動控制與數據采集。準靜態法是一種比較式測量方法，相對于動態法和靜態法具有制樣簡單、測試準確的特點，因此常采用準靜態法進行壓電應變系數d33的測量，其原理如圖1所示。

被測樣品與參比樣品被組裝于同一激振器振動桿上，通過激振器線圈時兩個壓電樣品同時受到110 Hz、0.25 N的振動力作用，比較被測樣品與參比樣品由于壓電效應產生的電荷量，即可換算出被測樣品的壓電應變系數[9?10]d33。

但是，由于準靜態法壓電測量過程中，樣品處于振動狀態，因此無法采用接觸式變溫夾持裝置。本文設計了加熱和制冷兩套非接觸式變溫系統協同工作，實現壓電樣品變溫與壓電系數的測量，以及-100～550 ℃內的壓電系數連續變溫測量，為壓電器件的設計與研制提供了材料性能依據。

1" 設備硬件設計

1.1" 系統總體架構

本文系統采用上、下位機結構，其功能結構圖如圖2所示。

溫控系統采用廈門宇電科技公司的AI526P雙路溫度控制器，分別通過繼電器與電磁閥控制升溫和液氮降溫；下位機基于STM32系列單片機設計了激振器驅動電路、電荷放大與比較電路，最后采用放大器進行數據采集與轉換；上位機采用LabVIEW編制軟件實現激振波形計算、數據獲取與存儲、實時顯示等功能。上、下位機間采用RS 232串口通信，完成數據發送和接收；上位機與溫控系統之間采用RS 485串口通信，實現溫度設定與讀取。

1.2" 變溫系統設計

本文應用有限元分析軟件ANSYS對樣品變溫管式爐進行輔助設計，如圖3a）、圖3b）所示，應用二維和三維熱分析單元對模型進行分析。分析結果表明，壓電陶瓷材料吸收輻射升溫的速率遠遠低于金屬銅，因此將下電極由圖1中的球狀觸點改為平臺式觸點，便于利用樣品臺與壓電樣品之間的熱傳導實現樣品的快速變溫。圖3c）所示為系統變溫管式爐的設計圖，其中樣品臺通過連桿與參比樣品組裝，并直接連接至激振器振子，管式爐采用陶瓷作為內管，其內部使用加熱絲與液氮冷凝管實現溫度變化，外部使用隔熱石棉材料保溫。整個變溫管式爐采用手輪升降機構實現升降，便于樣品的夾持。系統變溫管式爐實物圖如圖3d）所示。

1.3" 驅動信號發生電路設計

系統采用STM32F103ZET6大容量32位MCU實現下位機工作控制，該款MCU內部有兩個12位DAC，可以產生特定波形。利用CH340C實現串口與USB轉換，用于上、下位機通信。

上位機根據設定的波形參數計算波形數據點并發送給下位機，下位機采用MCU的DAC與DMA直接通信實現波形發送。另外，采用兩級放大電路實現激振器驅動信號的輸出。

單片機采用72 MHz系統時鐘，每一正弦周期采用256個數據點發送，使用基本計時器TIM2向上計數，控制數據點發送時間間隔。則產生正弦波的頻率為：

[fgen=1Tsys·TIMpres+1·TIMperi+1·N] （1）

式中：fgen為波形頻率，在本文系統中為110 Hz；Tsys為MCU的時鐘周期[11]，本文系統的時鐘頻率為72 MHz，因此Tsys應為[172] MHz；TIMpres和TIMperi分別為定時器的預分頻寄存器和周期寄存器設定值；N為組成一個周期正弦波的數據點數。根據發送波形要求，設定TIMpres為127、TIMperi為19可滿足頻率要求。

單片機DAC參考電壓為3 V，利用上位機主控軟件，按照正弦函數計算DAC需要轉換的256個數據點的具體數值。

在測試開始之前，通過串行接口發送至MCU，設置DMA相關地址與循環模式即可實現幅值為1.5 V的正弦波的產生。值得一提的是，MCU產生的正弦波是一個偏置波，其電壓值為0～3 V，需要在波形輸出串接電容去除直流分量，或采用減法器對波形調理。本文系統采用串接1 μF電容實現波形矯正。

本文系統通過PA92高電流線性放大器實現激振器驅動電流的放大。PA92是一款高速電流放大器，其最高輸出電流可達4 A，能夠滿足激振器的驅動需求。

1.4" 信號調理與采集電路

當激振器的振動力加載在參比樣品和被測樣品上時，兩個樣品上均產生電荷信號，設計前置電荷放大器分別放大獲得電壓信號。系統選用TI公司的TLC2272雙通道、寬工作范圍（-55～125 ℃）、軌至軌精密運算放大器，該器件具有低至1 pA的輸入偏置電流，適合作為電荷放大器，配合阻容網絡隔離輸入差模干擾，獲得良好的電荷放大效果。采用TLC2272的兩路分別對參比樣和被測樣品的電荷進行放大，電荷放大器電路如圖4所示。其中Rr與Cr分別為反饋電阻與反饋電容，Ri與Ci組成阻容網絡，用于隔離輸入差分干擾。

被測樣品與參比樣品的兩路電荷信號經電荷放大后，送入低噪聲儀表放大器INA166，經放大后得到兩種樣品的差分放大信號，送入MCU自帶的12位ADC中進行轉換。由于參比樣品的d33已知、各放大電路的增益已知，可由單片機對數據進行計算并發送給上位機進行存儲和顯示。整體激振器信號發生、信號調理與采集電路實物圖如圖5所示。

2" 軟件設計

2.1" 軟件架構

本文系統軟件主要由溫度檢測、測試觸發、數據采集與數字濾波等循環嵌套而成。上位機啟動并進行自檢后，便將用戶設定的溫度控制信息（起始溫度、結束溫度、升溫速率等）發送到溫度控制器。

由于溫度控制器可以獨立運行，因此后續工作過程中，上位機只需讀取溫控儀采集到的樣品溫度信息即可。程序讀取到測試起始溫度后，啟動測試過程，首先將根據波形設定計算的正弦波數據點信息（共256個）發送至下位機，并觸發激振器驅動和數據采集。

2.2" 數字濾波

系統中主要檢測兩個壓電樣品在110 Hz簡諧振動激勵下的電荷量經差分放大后的信號，該信號近似直流，干擾信號主要是高頻脈沖和串入的工頻干擾。因此在實現濾波的同時需要將工頻周期性干擾濾除，即實現50 Hz的陷波功能。

基于上述需求，考慮到下位機的存儲量及采樣速度，本文選用限幅濾波算法實現高頻脈沖的濾除，采用遞推平均濾波算法實現50 Hz周期性干擾的陷波。

遞推平均濾波算法可以制作軟件陷波器實現工頻干擾的濾波，其原理主要是：利用在正弦波周期內M個等分采樣點的算術平均值為0，選取合適的采樣率與采樣窗口長度即可消除特定頻率的正弦波。設采樣窗口長度為M個時間等分點，每次采樣值為xi，則采樣的均值為：

[Y=1Mi=0M-1xi]" " " " " " （2）

若對M取值為：[M=fi·fs]，其中fi為周期性正弦干擾頻率；[fs]為采樣率，即可保證在每一個正弦干擾信號周期內有整數個采樣點，則干擾信號的平均值為0，達到陷波效果。

本文通過設置MCU自帶12位ADC的采樣時間實現這一功能。

3" 測試結果與分析

利用研制的測試系統對典型壓電樣品進行測試，測試結果如圖6所示。

圖6a）為上位機顯示的最終結果，測試的d33?溫度曲線平滑。圖6b）為鈮酸鉀鈉（KNN）無鉛壓電陶瓷測試結果，在320 ℃左右出現壓電應變系數d33異常增大的現象，這對應著KNN陶瓷晶體結構從三方到四方的相變過程；在溫度為510 ℃時，樣品的壓電應變系數d33下降到1 pC/N，達到居里溫度附近，這與已有文獻中的描述以及介電系數?溫度譜線所描述的變化過程一致[12?13]。

圖6c）為鈦酸鋇（BT）壓電陶瓷測試結果，從圖中可以看出，BT陶瓷在120 ℃發生相變，在極短的時間內，d33降至0 并保持，即BT材料居里溫度在120 ℃附近，符合文獻[14?15]描述。

以上樣品在室溫下的d33測試結果與ZJ?4型d33測試儀測試結果相比，誤差均小于1%，說明本文測試系統達到所需的精度。

4" 結" 語

本文研制了原位式準靜態壓電?溫度特性測試系統，自行設計了變溫管式爐、激振器驅動、電荷放大、數據采集發送等模塊，以及基于限幅濾波算法和遞推平均濾波算法工頻陷波的數據采集軟件。實測結果表明，該系統能有效測試壓電?溫度特性，數據穩定可靠，可為壓電器件開發提供全面的溫度穩定性設計參考。

注：本文通訊作者為史翔。

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