實驗名稱：功率放大器在超聲諧振譜技術壓電材料性能表征研究中的應用

研究方向：

利用RUS技術定征壓電材料全矩陣材料系數的原理并給出了具體實施步驟，分析了該技術的優點與局限性；

實驗內容：

RUS技術定征壓電體彈性和壓電系數原理如下，對于一個邊界條件已知的長方體壓電樣品，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，其中，幾何尺寸可采用千分尺直接測量，密度可通過測量出的體積和質量計算可得，自由與夾持介電系數可分別由阻抗分析儀測量出的樣品低頻及高頻電容計算可得；反之，測量出樣品的若干諧振頻率，即可對未知的彈性及壓電系數進行反演，故從單塊壓電樣品即可定征出全矩陣材料系數。壓電樣品諧振頻率對介電系數變化不敏感，故無法利用RUS技術對其進行反演。

測試設備：

安泰ATA-4315功率放大器、安泰ATA-5620前置放大器、函數發生器。

實驗過程：下圖是RUS測試系統示意圖。信號發生器產生一掃頻信號，該信號經過功率放大器（ATA-4012）放大后，成為激發換能器的輸入信號，激發換能器激勵樣品產生振動，振動信號被接收換能器接收后輸入到前置放大器，經過處理，即可得到樣品的超聲諧振譜。為保證測量結果的精度，激發與接收換能器的中心工作頻率需遠離擬測試的帶寬，以避免樣品與測試系統發生諧振。由于樣品振動的激發信號已知，故非常適宜采用前置放大進行微弱信號的提取。

圖RUS測試系統示意圖

實驗結果：

圖2長方形樣品被切割成4塊小樣品

本文研究了RUS技術在定征壓電材料全矩陣材料參數及對壓電材料均勻性進行無損評估中的應用。利用該技術定征壓電材料全矩陣材料系數的最大優點在于定征過程僅需要單塊樣品，從而可保證定征結果的自洽；此外，利用該技術可定征出隨溫度變化的自洽材料系數。

該技術實施難點在于超聲諧振中諧振模式的識別，因為在超聲諧振譜測量過程中模式重疊與遺漏現象難以避免。該技術不足之處在于其只能應用于高QM值（＞300）壓電材料性能的表征，若QM值太低，難以對超聲諧振譜中各諧振模式進行準確識別。迄今為止，弛豫鐵電單晶生長不均勻問題尚未被徹底解決。目前，能夠對弛豫鐵電單晶均勻性進行無損評估的技術非常有限。

表1切割所得４塊樣品的cE66，εT22，εS22以及d33測量結果

針對弛豫鐵電單晶均勻性問題，發展出高效低成本的無損評估技術非常迫切。RUS技術檢測壓電材料均勻性的最大優點在于它是一種無損且低成本的檢測技術，缺點在于RUS技術僅是一種定性而非定量的弛豫鐵電單晶均勻性評估技術。由于壓電材料不僅應用于常溫及高溫，還應用于超低溫等環境，因此發展出低溫RUS技術是其發展趨勢之一。為實現此目的，開發可在低溫環境下工作的超聲探頭是關鍵。為了提高模式識別效率，發展出超聲諧振譜的多點測試技術是RUS技術的另一發展趨勢，如在采用超聲探頭測試樣品頂點振動的同時，采用激光測振技術對樣

放大器在該實驗中的效能：

功率放大器在該實驗中，將函數發生器發出的波形進行放大，使該信號具備負載的能力，進而進行測試，完成實驗。

實驗中用到的功率放大器ATA-5620參數指標：

審核編輯：湯梓紅