压电陶瓷微位移性能测量实验报告
一、实验目的：
1、了解压电陶瓷的性能参数；
2、了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法；
3、掌握压电陶瓷微位移测量方法；
二、实验仪器：
电容测微仪一台：型号JDC-2000测微台架一台：型号BCT－5C，斜度1:50直流调压器一台：电压量程（0～300V）标定平铁板一块压电陶瓷管一根
三、实验原理：
（一）利用测微台架标定电容测微仪
在测微台架的台架上放置一金属平板，将电容测微仪探头用测微台架夹紧，使探头的端面与平板平行，见图1，移动测微台架的旋钮，分别读出测微仪移动示值和电容测微仪的示值。

这样得到一组数据即可对电容测微仪进行标定。

图1 电容侧微仪标定原理图
（二）用标定后的电容测微仪测量压电陶瓷管的线性度
在电容测微仪的线性区（对应机械标定仪的某个位置），通过可调直流电源按一定间隔改变直流电压（见图2），分别对压电陶瓷加压，使之分别产生轴向变形（见图3）和弯曲变形（见图4），从而得到压电陶瓷的伸长与偏转量与施加其上的电压的关系。

图2 可调高压电源图3 测压电陶瓷轴向伸缩图4测压电陶瓷侧向弯曲
四、实验步骤
（一）标定电容测微仪的线性度
１、实验前，了解实验原理及其实验注意事项，并检查实验仪器是否齐全。

２、使用仪器前，将传感器端面与被测物（标定平铁板）表面用汽油认真清洗干净，以清洗掉杂质及灰尘微粒；而后将电源线和传感器与电缆分别连接好并拧紧。

３、将标定平铁板安放在测微台架的台架上，而后用夹具将电容传感器探头夹紧，接着上下调整探头使探头与标定平铁板距离接近测量区。

４、为便于进行数据分析，可将测微台架示值调至某一合适值，并将电容测微仪示值调零，而后进行实验；实验采用一人细调（等间距）测微台架，另一人记录的方式，为了标定线性区，测定线性误差，调值采用先等间距调至140μm，再等间距调回的方法。

（为了节约时间，调值范围为0～140μm，调值间距为5μm，共计读29个数。

）５、实验完成后，调整测微台架使探头远离标定平板到合适位置，取下标定平板（并估算找出电容测微仪的线性工作区，我们找的较为好的线性工作区是0～100μm）以进行压电陶瓷的性能及其微位移测量的实验。

（二）、压电陶瓷加电时的性能及其微位移测量
测压电陶瓷轴向伸缩：
１、将压电陶瓷的中线（Z）接至变压器的U+端，两边的两个接线头均接至变压器的地接口端（GND）。

２、将压电陶瓷小心垂直轻放在测微台架的台架上（如图3），并将探头靠近压电陶瓷至电容测微仪线性工作区（注：应先粗调而后细调以使电容测微仪示值在6～94μm以内，
因为在加压0～200V 时，估计其最大伸缩变化在6μm 左右，且电容测微仪较好的线性工作区大约在0～100μm ）。

３、打开变压器电源，从0～200V ，以10 V 为单位（最小精度），逐渐改变加在压电陶 瓷上的电压值，并读取对应的电容测微仪示值；而后从200～0V ，也以10 V 为单位逐渐改变加在压电陶瓷上的电压值，并读取对应的电容测微仪示值（仍然采用一人操作，一人读取数据的方式）。

４、待实验后，关闭变压器的供给电源，调整机械标定仪使探头远离压电陶瓷到合适位置，小心将压电陶瓷卧放，以进行下面压电陶瓷侧向弯曲实验。

测压电陶瓷侧向弯曲：
１、将压电陶瓷两边的两个接线头分别接至变压器的U+端和地接口端（GND ）。

２、小心将压电陶瓷卧放在测微台架的台架上（如图4）后，将探头靠近压电陶瓷至电容测微仪的线性工作区（注：应先粗调而后细调以使电容测微仪示值在15～85μm 以内，因为在加压0～200V 时，估计其最大弯曲度在15μm 左右，且电容测微仪较好的线性工作区大约在0～100μm ）。

３、按照测压电陶瓷轴向伸缩的实验步骤３测量数据。

４、待实验后，关闭变压器的供给电源，调整机械标定仪使探头远离压电陶瓷，而后向上调整探头到合适位置，小心将压电陶瓷取下保存好以备以后做实验用。

５、关闭做实验的总电源，整理实验平台，并整理数据，完成实验报告。

五、实验数据处理与分析 实验一：标定电容测微仪的线性度
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Shift/um
Figure1：电容测微仪线性标定结果。

X 轴为移动的标准值，Y 轴为测微仪显示值
Figure1为电容测微仪标定的结果，总体上看电容测微仪的指示值与真值有较好的线性，且正向和反向标定结果几乎一致。

但是二者之间仍然有一定的偏差。

这是由工作台的螺纹回程误差以及工作台的震动等不稳定因素造成的。

从图中可以看出看出从30—120μm 的范围内线性较好，所以可以选择在这一段内进行压电陶瓷电压变形测量实验。

实验二：测量压电陶瓷轴向伸缩
实验测得随加载电压变化，压电陶瓷轴向伸缩量如下表所示：
D a t a o f m e a s u r e m e n t /u m
U/V
Figure2给出的是对压电陶瓷逐步增加和减小施加的电压，压电陶瓷轴向变形的实验结果。

可以看出，不管是增压还是减压，压电陶瓷轴向位移与施加的电压有较好的线性关系，只是压电陶瓷存在明显的迟滞现象。

且电压减到零时，压电陶瓷并没有回到初始位置。

迟滞效应是由于压电陶瓷分子间存在阻力和残余极化所引起的。

实验三：测量压电陶瓷径向弯曲
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D a t a o f m e a s u r e m e n t /u m
U/V
Figure3给出的是压电陶瓷弯曲变形量随着施加电压增减的变化规律图。

与轴向变形时一样，弯曲变形相对于施加的电压也有较好的线性，但增减电压位移也出现迟滞现象，迟滞变形现象较为明显，正返程测量结果偏差较大。

总结：压电陶瓷是具有加上电压会伸长或收缩的性质，利用这个性质可以实现微小位移的移动，对于精密仪器来说必不可少。

压电陶瓷的迟滞现象限制了其应用领域，因此了解压电陶瓷的原理和迟滞现象，克服其不足之处，这对我们利用压电陶瓷进行精密移动必不可少。