2 Исследование свойств пьезокерамических элементов

2.1 Разработка лабораторной установки

Для проведения исследования свойств пьезоэлементов был разработан лабораторный стенд.

Рассмотрим макет лабораторной установки, разработанной для измерения параметров пьезоэлектрических элементов.

В состав макета вошли:

1. Динамометр электронный «ДАЦ-С-200-1»;

2. Электрометр Keithley 6514E;

3. Механический пресс.

Указанные компоненты рассмотрены ниже

2.2 Динамометрэлектронный

Для измерения нагружения был использован электронный динамометр типа ДАЦ-С-200-1 производителя ООО «Мегавес»(рисунок 2.1). Динамометр состоит из тензорезисторного датчика силы с силовводящими элементами и электронного блока МК-Т8 (вторичного измерительного преобразователя) с цифровым отсчетным устройством и интерфейсным выходом. Данный динамометр обладает наименьшим пределом измерения 20 кН и предназначен для сжатия до 200 кН с шагом в 0,02 кН, класс точности по ISO 376 – 1%.

Рисунок2.1-Динамометр электронный

2.3 ЭлектрометрKeithley 6514e

В данной работе применялся электрометр фирмы Keithley модели 6514 (рисунок 2.2), являющийся 6½-значной высокопроизводительной системой. Он может измерять напряжение, ток, сопротивление и заряд. К самому электрометру прилагается триаксиальный кабель модели 237-ALG-2, который был подведен к электродам измеряемыхпьезоэлементов. В данной работе были использованы лишь некоторые функции данного электрометра, такие как:

Рисунок 2.2- Электрометр Keithley 6514E

• ZCH – см. приложение 1

• AUTO – см. приложение 2

• REL – см. приложение 3

• REL – см. приложение 4

• и др.

Основные возможности измерения модели 6514 приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1–Диапазоны измерений

Функции	Дальность считывания	доступные диапазоны
Вольт	±10мкВ до ±210В	2В,20В и 200В
Ампер	±100аА до ±21мА	20пА,200пА,2нА,20нА,200нА,2мкА,20мкА,200мкА,2мА и 20 мА
Ом	10мОм до 210ГОм	2кОм,20кОм,200кОм,2МОм,20МОм,200МОм,2ГОм,20ГОм и 200ГОм
Кулон	10фКл до 21мкКл	20нКл,200нКл,2мкКл и 20мКл

2.4 Механический пресс

Система нагружения представляет собой пресс, предоставляющий возможность плавного нагружения, и набора механических элементов (см. рисунок 2.3)

Рисунок 2.3- Схема лабораторной установки, где: 1 – пятка, 2- подпятник, 3- стеклотекстолитовая пластина, 4- пьезоэлемент.

Между пятками и ответными подпятниками находятся две стеклотекстолитовые пластины, между которыми зажат пьезоэлемент (см.рисунок2.4).

Рисунок 2.4- Фотография лабораторной установки, где: 1 – пятка, 2- подпятник, 3- стеклотекстолитовая пластина, 4- пьезоэлемент.

Выбор сферических пяток и подпятников объясняется необходимостью создания соосной схемы нагружения пьезоэлектрического элемента.

Сперва была собрана механическая часть установки (пятки, подпятники, фольгированные стеклотекстолитовые пластины, пьезоэлемент), которые затем были помещены под пресс. После чего производилась настройка электронной части лабораторной установки. Динамометр, служащий для определения степени нагружения, был подведен к тензодатчику, а электрометр с помощью «крокодилов» подключен к выводам с электродов пьезоэлемента. Вся система тщательно экранировалась. Для этого применены: стаканы с минеральным маслом, в которое опускался пьезоэлемент; фольгированная бумага. Измерения проводились в следующем порядке:

1. на первом этапе производилась настройка электрометра для режима измерения заряда (см. приложение 2);

2. Далее производилось постепенное повышение нагрузки на пьезопластину, показания электрометра фиксировались через определенные промежутки нагружения.

В силу плавного нагружения заряд быстро стекал, что не давало возможности точного определения величины заряда. Поэтому на этапе настройки лабораторной установки основное внимание уделялось экранированию системы. В качестве экрана использованы листы картона, обклеенные фольгой. Экран прикреплялся к прессу с помощью нескольких магнитов, которые прочно держали экран при этом оставляя возможность в любой момент поправить, сменить или произвести иные действия с пластиной, что весьма облегчило задачу. Последний элемент экрана помещался между тензодатчиком и подпятником, предоставляя лучшее экранирование.

В связи с этим была принята следующая методика измерения пьезомодуляd₃₃ в квазистатическом режиме [1], позволяющая свести практически к минимуму влияние возможных доменных переориентаций, что достигается минимально допустимым значением измерительного усилия, равным Па [14,15].

Снижение утечек пьезозаряда обеспечивается благодаря тому, что измерительный усилитель установки, реализующий методику, собран по схеме токового усилителя с малым входным сопротивлением порядка 10 кОм без использования буферной (накопительной) емкости. В такой схеме

измерения характерное время стока пьезозарядов, образовавшихся в результате механического воздействия с частотой 50 Гц составляет единицы микросекунд, а это обеспечивает точное измерение среднего значения пьезотока на входе усилителя (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5- Схема измерения пьезомодуля в квазистатическом режиме:

Э – электрометр ; шунтирующая емкость; емкость пьезоэлемента; F - прикладываемое усилие