原位式準(zhǔn)靜態(tài)壓電材料溫度特性測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)

摘" 要： 壓電材料的壓電?溫度特性會(huì)直接影響到壓電器件的工作穩(wěn)定性，是壓電器件研發(fā)的重要依據(jù)。文中基于準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量方法研制上、下位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了原位壓電?溫度特性測(cè)試。其次，設(shè)計(jì)開發(fā)了變溫管式爐、激振器驅(qū)動(dòng)、信號(hào)調(diào)理與采集電路，構(gòu)建了準(zhǔn)確的濾波與工頻陷波算法。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確測(cè)量壓電?溫度特性并標(biāo)定壓電材料相變溫度，可為壓電器件設(shè)計(jì)提供重要的參考。

關(guān)鍵詞： 壓電器件； 變溫系統(tǒng)； 準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量方法； 壓電?溫度特性； 數(shù)字濾波； 相變溫度

中圖分類號(hào)： TN384?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 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(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高精度濾波器、傳感器和驅(qū)動(dòng)器等電子元器件領(lǐng)域[1?4]。壓電性能是由于某些材料具有特殊的晶格結(jié)構(gòu)，在受到外力或電激勵(lì)時(shí)出現(xiàn)電荷不平衡分布或形變的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生的力電耦合行為。

隨著溫度變化導(dǎo)致材料相變，材料的壓電性能也會(huì)發(fā)生變化，并且在居里溫度以上。由于材料晶格的高對(duì)稱性，壓電材料將會(huì)失去壓電性而導(dǎo)致器件失效。因此，對(duì)壓電器件的溫度特性進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定已成為壓電器件開發(fā)過程中的重要步驟[5?6]。

目前針對(duì)壓電器件開展的壓電?溫度特性測(cè)量往往直接對(duì)器件本身進(jìn)行測(cè)試，而如果能對(duì)壓電材料的壓電?溫度特性進(jìn)行測(cè)試研究，可以更好地指導(dǎo)壓電器件的設(shè)計(jì)與研制工作。壓電材料最為常用的壓電性能參數(shù)是壓電應(yīng)變系數(shù)diu，其中下標(biāo)i和u分別代表壓電材料的應(yīng)變和電場(chǎng)強(qiáng)度方向。而壓電應(yīng)變系數(shù)d33是壓電器件最為常用的壓電性能參數(shù)，直接關(guān)系到器件的性能。為了測(cè)量壓電?溫度特性，已有研究者開發(fā)了原位式d33溫度特性測(cè)試系統(tǒng)[7?8]。

該系統(tǒng)采用激光測(cè)微儀測(cè)試壓電材料的逆壓電效應(yīng)從而換算壓電系數(shù)，但設(shè)備昂貴，并且沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集。準(zhǔn)靜態(tài)法是一種比較式測(cè)量方法，相對(duì)于動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法具有制樣簡(jiǎn)單、測(cè)試準(zhǔn)確的特點(diǎn)，因此常采用準(zhǔn)靜態(tài)法進(jìn)行壓電應(yīng)變系數(shù)d33的測(cè)量，其原理如圖1所示。

被測(cè)樣品與參比樣品被組裝于同一激振器振動(dòng)桿上，通過激振器線圈時(shí)兩個(gè)壓電樣品同時(shí)受到110 Hz、0.25 N的振動(dòng)力作用，比較被測(cè)樣品與參比樣品由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量，即可換算出被測(cè)樣品的壓電應(yīng)變系數(shù)[9?10]d33。

但是，由于準(zhǔn)靜態(tài)法壓電測(cè)量過程中，樣品處于振動(dòng)狀態(tài)，因此無法采用接觸式變溫夾持裝置。本文設(shè)計(jì)了加熱和制冷兩套非接觸式變溫系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)壓電樣品變溫與壓電系數(shù)的測(cè)量，以及-100～550 ℃內(nèi)的壓電系數(shù)連續(xù)變溫測(cè)量，為壓電器件的設(shè)計(jì)與研制提供了材料性能依據(jù)。

1" 設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

1.1" 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文系統(tǒng)采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

溫控系統(tǒng)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(jī)基于STM32系列單片機(jī)設(shè)計(jì)了激振器驅(qū)動(dòng)電路、電荷放大與比較電路，最后采用放大器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換；上位機(jī)采用LabVIEW編制軟件實(shí)現(xiàn)激振波形計(jì)算、數(shù)據(jù)獲取與存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示等功能。上、下位機(jī)間采用RS 232串口通信，完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；上位機(jī)與溫控系統(tǒng)之間采用RS 485串口通信，實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定與讀取。

1.2" 變溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)樣品變溫管式爐進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，如圖3a）、圖3b）所示，應(yīng)用二維和三維熱分析單元對(duì)模型進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，壓電陶瓷材料吸收輻射升溫的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬銅，因此將下電極由圖1中的球狀觸點(diǎn)改為平臺(tái)式觸點(diǎn)，便于利用樣品臺(tái)與壓電樣品之間的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)樣品的快速變溫。圖3c）所示為系統(tǒng)變溫管式爐的設(shè)計(jì)圖，其中樣品臺(tái)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(nèi)管，其內(nèi)部使用加熱絲與液氮冷凝管實(shí)現(xiàn)溫度變化，外部使用隔熱石棉材料保溫。整個(gè)變溫管式爐采用手輪升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降，便于樣品的夾持。系統(tǒng)變溫管式爐實(shí)物圖如圖3d）所示。

1.3" 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6大容量32位MCU實(shí)現(xiàn)下位機(jī)工作控制，該款MCU內(nèi)部有兩個(gè)12位DAC，可以產(chǎn)生特定波形。利用CH340C實(shí)現(xiàn)串口與USB轉(zhuǎn)換，用于上、下位機(jī)通信。

上位機(jī)根據(jù)設(shè)定的波形參數(shù)計(jì)算波形數(shù)據(jù)點(diǎn)并發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)采用MCU的DAC與DMA直接通信實(shí)現(xiàn)波形發(fā)送。另外，采用兩級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)激振器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出。

單片機(jī)采用72 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，每一正弦周期采用256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)送，使用基本計(jì)時(shí)器TIM2向上計(jì)數(shù)，控制數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間間隔。則產(chǎn)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(tǒng)中為110 Hz；Tsys為MCU的時(shí)鐘周期[11]，本文系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為72 MHz，因此Tsys應(yīng)為[172] MHz；TIMpres和TIMperi分別為定時(shí)器的預(yù)分頻寄存器和周期寄存器設(shè)定值；N為組成一個(gè)周期正弦波的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。根據(jù)發(fā)送波形要求，設(shè)定TIMpres為127、TIMperi為19可滿足頻率要求。

單片機(jī)DAC參考電壓為3 V，利用上位機(jī)主控軟件，按照正弦函數(shù)計(jì)算DAC需要轉(zhuǎn)換的256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的具體數(shù)值。

在測(cè)試開始之前，通過串行接口發(fā)送至MCU，設(shè)置DMA相關(guān)地址與循環(huán)模式即可實(shí)現(xiàn)幅值為1.5 V的正弦波的產(chǎn)生。值得一提的是，MCU產(chǎn)生的正弦波是一個(gè)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(duì)波形調(diào)理。本文系統(tǒng)采用串接1 μF電容實(shí)現(xiàn)波形矯正。

本文系統(tǒng)通過PA92高電流線性放大器實(shí)現(xiàn)激振器驅(qū)動(dòng)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(dá)4 A，能夠滿足激振器的驅(qū)動(dòng)需求。

1.4" 信號(hào)調(diào)理與采集電路

當(dāng)激振器的振動(dòng)力加載在參比樣品和被測(cè)樣品上時(shí)，兩個(gè)樣品上均產(chǎn)生電荷信號(hào)，設(shè)計(jì)前置電荷放大器分別放大獲得電壓信號(hào)。系統(tǒng)選用TI公司的TLC2272雙通道、寬工作范圍（-55～125 ℃）、軌至軌精密運(yùn)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(wǎng)絡(luò)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(duì)參比樣和被測(cè)樣品的電荷進(jìn)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(wǎng)絡(luò)，用于隔離輸入差分干擾。

被測(cè)樣品與參比樣品的兩路電荷信號(hào)經(jīng)電荷放大后，送入低噪聲儀表放大器INA166，經(jīng)放大后得到兩種樣品的差分放大信號(hào)，送入MCU自帶的12位ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。整體激振器信號(hào)發(fā)生、信號(hào)調(diào)理與采集電路實(shí)物圖如圖5所示。

2" 軟件設(shè)計(jì)

2.1" 軟件架構(gòu)

本文系統(tǒng)軟件主要由溫度檢測(cè)、測(cè)試觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字濾波等循環(huán)嵌套而成。上位機(jī)啟動(dòng)并進(jìn)行自檢后，便將用戶設(shè)定的溫度控制信息（起始溫度、結(jié)束溫度、升溫速率等）發(fā)送到溫度控制器。

由于溫度控制器可以獨(dú)立運(yùn)行，因此后續(xù)工作過程中，上位機(jī)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(cè)試起始溫度后，啟動(dòng)測(cè)試過程，首先將根據(jù)波形設(shè)定計(jì)算的正弦波數(shù)據(jù)點(diǎn)信息（共256個(gè)）發(fā)送至下位機(jī)，并觸發(fā)激振器驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集。

2.2" 數(shù)字濾波

系統(tǒng)中主要檢測(cè)兩個(gè)壓電樣品在110 Hz簡(jiǎn)諧振動(dòng)激勵(lì)下的電荷量經(jīng)差分放大后的信號(hào)，該信號(hào)近似直流，干擾信號(hào)主要是高頻脈沖和串入的工頻干擾。因此在實(shí)現(xiàn)濾波的同時(shí)需要將工頻周期性干擾濾除，即實(shí)現(xiàn)50 Hz的陷波功能。

基于上述需求，考慮到下位機(jī)的存儲(chǔ)量及采樣速度，本文選用限幅濾波算法實(shí)現(xiàn)高頻脈沖的濾除，采用遞推平均濾波算法實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)工頻干擾的濾波，其原理主要是：利用在正弦波周期內(nèi)M個(gè)等分采樣點(diǎn)的算術(shù)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(shè)采樣窗口長度為M個(gè)時(shí)間等分點(diǎn)，每次采樣值為xi，則采樣的均值為：

[Y=1Mi=0M-1xi]" " " " " " （2）

若對(duì)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(gè)正弦干擾信號(hào)周期內(nèi)有整數(shù)個(gè)采樣點(diǎn)，則干擾信號(hào)的平均值為0，達(dá)到陷波效果。

本文通過設(shè)置MCU自帶12位ADC的采樣時(shí)間實(shí)現(xiàn)這一功能。

3" 測(cè)試結(jié)果與分析

利用研制的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)典型壓電樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6a）為上位機(jī)顯示的最終結(jié)果，測(cè)試的d33?溫度曲線平滑。圖6b）為鈮酸鉀鈉（KNN）無鉛壓電陶瓷測(cè)試結(jié)果，在320 ℃左右出現(xiàn)壓電應(yīng)變系數(shù)d33異常增大的現(xiàn)象，這對(duì)應(yīng)著KNN陶瓷晶體結(jié)構(gòu)從三方到四方的相變過程；在溫度為510 ℃時(shí)，樣品的壓電應(yīng)變系數(shù)d33下降到1 pC/N，達(dá)到居里溫度附近，這與已有文獻(xiàn)中的描述以及介電系數(shù)?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(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出，BT陶瓷在120 ℃發(fā)生相變，在極短的時(shí)間內(nèi)，d33降至0 并保持，即BT材料居里溫度在120 ℃附近，符合文獻(xiàn)[14?15]描述。

以上樣品在室溫下的d33測(cè)試結(jié)果與ZJ?4型d33測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果相比，誤差均小于1%，說明本文測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到所需的精度。

4" 結(jié)" 語

本文研制了原位式準(zhǔn)靜態(tài)壓電?溫度特性測(cè)試系統(tǒng)，自行設(shè)計(jì)了變溫管式爐、激振器驅(qū)動(dòng)、電荷放大、數(shù)據(jù)采集發(fā)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(shù)據(jù)采集軟件。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效測(cè)試壓電?溫度特性，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可為壓電器件開發(fā)提供全面的溫度穩(wěn)定性設(shè)計(jì)參考。

注：本文通訊作者為史翔。

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