摘要：PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷是一种新型材料，在众多领域都有其应用。但是PZT压电陶瓷的应用受到其性能的限制，因此有必要对其性能进行研究，从而提高它的应用范围。传统的测试PZT压电陶瓷性能的设备有着各种各样的缺点，因此本文从导纳圆出发，研究了自动测试系统的测试原理。根据测试原理，建立了一套自动测试系统，详述了其中关键部分的实现。构建了自动测试系统的实验平台，实验结果表明所设计的系统能够对PZT压电陶瓷进行测试，并具有一定的精度。
关键字：PZT；导纳圆法；测试系统；参数估计
中图分类号：TN384
An automatic test system for PZT piezoelectric ceramics
Li Shuiping Wang Zhichao Deng Ji
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Techology, Wuhan 430070, China)
Abstract：PZT (lead zirconate titanate) piezoelectric ceramics is a new type of material, which has been applied in many fields. However, the application of PZT piezoelectric ceramics is limited by its performance. Therefore, it is necessary to study its performance to improve its application range. The traditional equipment for testing the performance of PZT piezoelectric ceramics has various shortcomings. Therefore, this paper starts from the admittance circle and studies the testing principle of the automatic test system. According to the test principle, an automatic test system was established, and the implementation of the key parts was described in detail. The experimental platform of the automatic test system was built. The experimental results show that the designed system can test the PZT piezoelectric ceramics with certain accuracy.
Keywords：PZT；Admittance circle method；Testing system；Parameter estimation
0.引言
压电陶瓷是具有压电特性的功能陶瓷材料，由铁电多晶体极化处理后制成，是一种重要的电子陶瓷[1]。由于PZT压电陶瓷具有出色的压电性和介电性，而且易于制成各种形状和尺寸，因此其应用众多，被广泛应用于军事、医疗、交通、通信等领域中[2]。PZT压电陶瓷的特性参数受生产制备过程各因素影响较大[3]。同时，PZT压电器件的性能主要由其中的PZT压电陶瓷元件决定，因此对PZT压电陶瓷的测试在其实际生产、理论研究及应用开发中都具有较大意义。
目前针对PZT压电陶瓷的测试方法主要有两种：传输线法和导纳圆法。传统的PZT压电陶瓷的测试系统主要是采用传输线法[4]，利用信号发生器、频率计等组成测试系统进行测试，但这种测试系统不仅需要手工调节测试信号，而且数据保存和处理等难以自动实现，自动化程度较低，测试时间较长，与其他系统兼容性也较差[5]。而目前采用导纳圆法[6][7] [8]的测试系统，一般使用如安捷伦4294阻抗测量仪等通用阻抗分析仪构建，测量范围广，精度高，但是整套系统体积大，而且价格昂贵。针对上述不足，本文设计了一套基于导纳圆法的自动测试系统，并通过实验进行了验证。该系统可以对PZT压电陶瓷基本特性参数自动测量，同时可以作为嵌入式设备，嵌入不同的压电陶瓷设备中，例如超声电机、压电风能收集等。
1.PZT压电陶瓷测试原理
PZT压电陶瓷具有一定的机电转换能力，因此在研究压电陶瓷时，常采用机电类比的方法，用相应的等效电路来作为压电陶瓷的类比模型，以表示其在谐振点附近的机电特性。PZT压电陶瓷在谐振频率附近的等效电路如图1所示。
作者：黎水平 王志超 邓基