PZT换能器选型

PZT换能器材料选型

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当前状态

供应商2的P-82是优先采购候选，Ø25×0.8 mm是目标尺寸。牌号、尺寸、批次、电极、极化方向和引线形式均需由供应商书面确认；确认和到货检查完成前，不把它写成正式器件。

一、选型范围

本项目比较六种点阵构型，不比较PZT材料。正式六构型实验只使用同一供应商、同一牌号和同一生产批次的PZT，不能把三种候选材料混在同一组数据中。

选型时同时考虑输出响应、损耗、器件尺寸和批次供应。材料表中的 $d_{33}$、介电常数和 $Q_m$ 只用于初步筛选，不能代替到货检查和预实验。尤其是 $Q_m$ 主要描述共振附近的机械损耗，不能直接证明1 Hz循环加载下的稳定性。

二、原始数据

渠道	转录文件	原文件与范围	数据状态
供应商1	供应商1-参数表	PZT供应商1.xlsx，工作表PZT供应商1，A1:J28	已逐项转录
供应商2	供应商2-参数表	PZT供应商2.xlsx，工作表PZT供应商2，A1:M20	已转录；$g$常数单位和P-8声速待确认
供应商3	供应商3-参数表	PZT供应商3.xlsx，工作表PZT供应商3，A1:U12	已逐项转录

三份原始表只给出材料常数，没有给出可加工尺寸、公差、现货数量、最小订购量、批次保证、允许压应力或循环寿命。这些采购条件需另行询问，不能由参数表推断。

供应商2将 $g_{31}$ 和 $g_{33}$ 的单位写为 $10^{-13}\mathrm{V}m/N$。确认前，本项目不使用该供应商的 $g$ 常数计算开路电压或跨供应商性能排序。

三、三个渠道的候选牌号

渠道	当前候选	${\epsilon }_r$	$d_{33}$ ($10^{-12}C/N$)	$\tan \delta$	$Q_m$	选择依据
供应商1	PZT-4	1350	320	0.3%	1000	在该表中兼有较低损耗、较高 $Q_m$ 和可用的 $d_{33}$
供应商2	P-82	1700	370	0.5%	2000	相比P-81具有更高 $d_{33}$ 和 $Q_m$，损耗相同
供应商3	PbaS-4	1900	380	0.5%	2200	在该表的高 $Q_m$ 材料中具有较高 $d_{33}$

这三个牌号是各渠道内部的采购候选，不代表已经完成三家实物性能比较。不同供应商的参数测量条件和批次差异未知，因此不据此给出跨供应商的实际输出排名。

3.1 供应商2的备选顺序

供应商2是当前优先询价渠道，先询问P-82。若P-82不能按目标尺寸和同批数量供货，再评估P-81。P-5虽然具有更高的标称 $d_{33}$，但其原表介质损耗为1.9%、$Q_m$为70，与当前候选的材料特征不同，因此不作为自动替代型号。

四、目标尺寸

项目	当前目标	状态
形状	圆片	待确认供货
直径	Ø25 mm	目标值；公差待确认
厚度	0.8 mm	目标值；公差待确认
极化	厚度方向	待确认标识方法
工作模式	厚度压缩，$d_{33}$模式	由装夹方向保证
电极	双面银电极	待确认材料和覆盖范围
基板	无金属或聚合物基板	待确认
批次	同一生产批次	待供应商保证

4.1 为什么采用Ø25 mm

点阵受压端面为22.2×22.2 mm，面积为：

$$A_{\mathrm{lattice}}=22.2\times 22.2=492.84\mathrm{m}{\mathrm{m}}^2$$

Ø25 mm圆片的面积为：

$$A_{\mathrm{PZT}}=\pi {\left(\frac{25}{2}\right)}^2=490.87\mathrm{m}{\mathrm{m}}^2$$

两者相差约0.4%。因此，Ø25 mm能使PZT受压面积与点阵端面面积接近，同时不明显增大装置尺寸。圆片不能覆盖方形点阵的四角，所以点阵与PZT之间必须设置刚性均压板，由均压板传递总力，点阵不能直接压在PZT电极上。

相比之下，Ø20 mm圆片面积为314.16 mm²。在总力相同时，其平均压应力约为Ø25 mm圆片的1.56倍。Ø25 mm能降低平均压应力，并为装夹偏差留出较大的余量。

4.2 为什么采用0.8 mm

在材料、直径和受力条件相同的简化模型中：

$$C_p\propto \frac{1}{t},R^{\ast }\propto t,V_{\mathrm{oc}}\propto t$$

0.5 mm圆片电容较大、匹配负载较低，但薄片在装配时更容易弯曲或损伤；1.0 mm圆片更厚，但电容更小，1 Hz下所需负载更高。0.8 mm作为当前目标厚度，用于平衡装配操作、电容量和负载范围。

上述判断是器件方案选择，不是供应商给出的强度结论。三份材料表均未提供厚度公差和允许压应力，因此0.8 mm是否可采购、是否满足装夹要求，仍需通过书面确认和低载荷装夹检查确定。

五、电容量和公共负载的初步估算

以Ø25×0.8 mm估算：

$$C_{p,\mathrm{est}}={\epsilon }_0{\epsilon }_r\frac{A}{t}$$ $$R_{\mathrm{est}}^{\ast }=\frac{1}{2\pi f{C}_{p,\mathrm{est}}}$$

候选材料	$C_{p,\mathrm{est}}$ (nF)	$R_{\mathrm{est}}^{\ast }$ @ 1 Hz (MΩ)
PZT-4	7.33	21.70
P-82	9.24	17.23
PbaS-4	10.32	15.42

这些数值只用于准备电阻范围和高阻测量前端。正式公共负载使用五片正式PZT的实测电容中位数计算：

$$R^{\ast }=\frac{1}{2\pi f\mathrm{median}(C_p)}$$

仪器输入阻抗同时计入有效负载：

$$R_{\mathrm{eff}}=R_{\mathrm{load}}\parallel R_{\mathrm{in}}$$

供应商2的 $g_{33}$ 单位尚未确认，且本地传递力必须实测，因此本文件不再给出P-82的开路电压预测值。

六、采购顺序与询价内容

当前计划先向供应商2询问7片同批P-82 Ø25×0.8 mm。若该规格不能供应，再询问同渠道P-81；若供应商2无法满足同批小数量供货，则根据供应商1 PZT-4和供应商3 PbaS-4的书面回复重新选择一个渠道。

询价时需确认：

• 牌号与材料数据表版本；
• Ø25 mm和0.8 mm的加工公差；
• 7片是否来自同一生产批次；
• 厚度方向极化及正负极标记；
• 双面电极的材料、厚度和覆盖范围；
• 是否带基板、引线或焊点；
• 允许的静态预载、最大压应力和装夹要求；
• $C_p$、$\tan \delta$、$d_{33}$和$g_{33}$的测量条件与单位；
• 交期、最小订购量及破损补货条件。

供应商回复、报价单和最终数据表应归档到供应商资料目录。

七、到货检查与区组分配

按开箱顺序将7片器件编号为PZT-01至PZT-07，不按测量结果重新编号。每片记录外观、直径、厚度、$C_p@1\mathrm{kHz}$、$\tan \text{delta@}1\mathrm{kHz}$、极性和引线状态，同时保存仪器型号和测量设置。

计划从7片中选出5片作为正式PZT区组B1—B5，其余作为备用。电容、损耗和尺寸的入选界限目前未冻结，应先根据仪器重复性和到货批次分布制定，并在查看点阵电学结果前固定。不得根据某片PZT输出较高而选择正式器件。

五片正式PZT各自依次测试六种点阵构型。每个区组内的六构型顺序随机化，测试期间只更换点阵，不拆卸PZT。每个区组测试前后按相同参考条件检查响应漂移；漂移界限在预实验前冻结。

八、装夹要求

• PZT置于上下两块双面研磨的致密氧化铝均压板之间，氧化铝板同时承担均压和电气隔离；
• 不再设置独立绝缘层，氧化铝均压板的候选尺寸和待确认要求见CAD设计记录；
• 不使用泡棉、厚胶层或其他明显可压缩的垫片；
• 夹盒不能形成绕过PZT的刚性传力路径；
• 引线和电极接点不能形成承压凸点，其避让方式须在夹盒图纸中标明；
• 点阵只接触上均压板，不直接接触PZT电极。

氧化铝牌号、最终厚度、平面度、平行度和引线避让方式尚未冻结，应在PZT到货、供应商数据取得和低载荷装夹检查完成后确定。若直接接触造成电极损伤或压力明显不均，应先修订夹盒设计，不得在正式实验中临时加入未记录的垫片。

九、当前待办

• 三份供应商工作簿已逐项转录，并记录工作表、范围和文件哈希；
• 每个供应商保留一个当前候选牌号；
• 目标尺寸改为Ø25×0.8 mm并说明选择依据；
• 取得供应商对尺寸、批次、数量、单位和允许工况的书面回复；
• 确定正式采购牌号与批次；
• 到货后完成编号、尺寸和电学检查；
• 在预实验前冻结五片正式PZT的入选规则；
• 按实测电容确定公共负载；
• 完成氧化铝均压板、PZT和夹盒的低载荷装夹检查。