电学测试

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正式测试前提

PZT已经验收并分配至B1～B5；氧化铝均压板和夹盒版本已经冻结并通过低载荷装夹检查；测量前端输入阻抗已知且不低于1 GΩ；力、位移和电压能够使用同一采集时钟；全部负载电阻已经测量。任一条件未满足时，不进行正式电能测试。

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一、测试对象与范围

电学测试使用完整装置：

试验机上压头 → 点阵样品 → 上氧化铝均压板 → 夹盒内PZT → 下氧化铝均压板 → 试验机底座

在固定位移条件下同步记录实际传递力、位移和PZT负载电压，用于计算每循环电能及其归一化结果。

• 正式实验只使用同一供应商、同一牌号和同一批次的PZT；
• 五片正式PZT分别作为B1～B5区组，每个区组测试六种构型各1件；
• 样品分配及测试顺序以样品清单为准；
• 力学基线测量点阵本体，本文件测量装配后的动态传递力和电输出；
• 核心测试直接连接电阻负载，不接整流桥或储能电容。

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二、设备与同步测量

日期	操作者	动态试验机	载荷传感器及量程	位移传感器	电压前端	采集设备	采样率	温度/湿度
—	—	—	—	—	—	—	—	—

设备记录还应包括校准日期、通道量程、滤波设置、接地方式和软件版本。

• 力、位移和电压使用同一采集时钟，采样率不低于1 kHz；
• 独立电压仪器必须通过模拟输出接入同一采集设备，或使用已经验证时间误差的硬件同步；
• 仅靠两个文件的时间戳不能视为同步；
• 位移传感器的测量位置和修正方法在所有区组中保持一致；
• 电压前端的增益、偏置、输入阻抗、输入电容和允许电压范围必须记录。

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三、电路与负载

3.1 仪器输入阻抗

外接负载$R_{load}$和电压前端输入电阻$R_{in}$并联在PZT两端：

$$R_{eff}=R_{load}\parallel R_{in}={\left(\frac{1}{R_{load}}+\frac{1}{R_{in}}\right)}^{-1}$$

正式计算使用$R_{eff}$和电阻实测值。若$R_{in}$未知，不计算正式功率或电能。

普通1 MΩ示波器或10 MΩ无源探头不能作为正式电压前端。电阻分压器只有在全部电阻、仪器输入和频率响应都经过校准并计入$R_{eff}$后才能使用，目前不作为默认方案。

3.2 公共负载

按照PZT换能器选型测量5片正式PZT的$C_p@1\mathrm{kHz}$，以其中位数估算1 Hz中心负载：

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

$R^{\ast }$是PZT端看到的目标有效电阻。已知$R_{in}$后，目标外接电阻为：

$$R_{load,target}={\left(\frac{1}{R^{\ast }}-\frac{1}{R_{in}}\right)}^{-1}$$

若$R_{in}\le R^{\ast }$，该前端不能形成所需公共负载，应更换前端。

项目	数值	来源/日期
5片PZT的$\mathrm{median}(C_p)$	—	—
$R^{\ast }$ @1 Hz	—	计算
$R_{in}$	—	—
公共$R_{load}$实测值	—	—
公共$R_{eff}$	—	计算

所有正式样品使用同一个公共$R_{load}$。不得按构型或单片PZT分别改变公共负载。

若设备能够在1 Hz附近可靠测量电容，应同时记录低频电容；否则，1 kHz电容只用于初始估算，实际最优负载由扫描结果确定。

若已测得电压前端和线缆的并联输入电容，初始负载估算应使用PZT电容与这些并联电容之和，并同时保留仅用$C_p$计算的结果。

3.3 负载扫描

D10条件下的目标有效电阻为：

$$0.25R^{\ast },0.5R^{\ast },R^{\ast },2R^{\ast },4R^{\ast }$$

目标$R_{eff}/R^{\ast }$	目标$R_{eff}$	选用$R_{load}$	$R_{load}$实测值	实际$R_{eff}$	允许电压
0.25	—	—	—	—	—
0.50	—	—	—	—	—
1.00	—	—	—	—	—
2.00	—	—	—	—	—
4.00	—	—	—	—	—

每个电阻使用前测量实际阻值并确认允许电压。分析使用实际$R_{eff}$，不以目标值代替。

每档外接电阻均按下式换算：

$$R_{load,j}={\left(\frac{1}{R_{eff,target,j}}-\frac{1}{R_{in}}\right)}^{-1}$$

若$R_{in}\le R_{eff,target,j}$，该扫描点无法用正值外接电阻实现，应更换输入阻抗更高的测量前端。

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四、激励条件

条件	预载	位移行程	频率	稳定周期	采集周期	负载
D05	20 N	0–0.05 mm	1 Hz	20	连续20周期	公共负载
D10	20 N	0–0.10 mm	1 Hz	20	连续20周期	公共负载
D10-R	20 N	0–0.10 mm	1 Hz	每档20	每档连续20周期	五档扫描

位移行程从20 N预载位置开始。D05的名义位移幅值为：

$${\delta }_{amp}=\frac{{\delta }_{max}-{\delta }_{min}}{2}=0.025\mathrm{mm}$$

D10的名义位移幅值为0.05 mm。数据处理使用逐周期实测位移幅值，不直接使用名义值。

D05和D10的先后顺序在正式测试前按样品随机并尽量平衡：同一构型中两种顺序的样品数相差不超过1。两种公共负载条件完成后，保持机械装夹不变进行D10-R。五档电阻顺序也对每件样品随机生成，并保存到电学测试记录。

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五、预实验

预实验使用SS、FCC和TC各3件，编号见样品清单。每件样品在公共负载D10条件下至少重新装夹一次，并保留两次运行。

正式预实验前完成以下检查：

1. 在20 N静态预载、无动态位移时采集与正式运行等长的噪声记录；
2. 固定全部线缆，确认线缆不随压头运动；
3. 对同一PZT交换两根引线，确认主要波形随极性反向；
4. 检查电压前端无削顶，输入端与夹具之间无意外导通；
5. 测试电路断开时，确认PZT两电极及引线与试验机金属件之间无意外导通；测量电路中的预定接地点单独记录。氧化铝均压板表面应无裂纹、崩边或承压凸点。

项目	当前暂定判据	计算或检查方法
电压信噪比	≥10	稳定周期去均值后的电压RMS ÷ 静态预载噪声RMS
力幅值周期CV	≤10%	20个采集周期的$F_{amp}$
每循环电能CV	≤15%	20个采集周期的$E_{elec}$
PZT参考响应漂移	≤5%	参考条件尚待确定
力学趋势	SS、FCC、TC总体呈低—中—高	比较同步实测$F_{amp}$
装置状态	氧化铝板和PZT无裂纹、崩边、滑移、放电或明显接触异常	测前、测后检查

上述数值是当前暂定门槛。PZT参考响应的装夹方式、激励和计算量尚未确定，因此在参考方法冻结前不能执行漂移判据。四项数值界限、参考方法和未通过时的处理方式必须在正式预实验开始前冻结；如需先调试装置，调试运行不计入正式预实验。

表中的信噪比为RMS幅值之比，不使用dB表示。

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六、正式测试顺序

6.1 PZT区组

B1～B5对应的PZT编号、六件样品和六构型顺序在样品清单中预先生成。一个区组六构型测试期间：

• PZT、上下氧化铝均压板、引线和夹盒不拆卸；
• 只更换点阵样品；
• 使用同一电压前端、公共负载和位移测量方式；
• 测试前后按冻结的参考方法检查PZT响应。

区组执行顺序也应在正式测试前确定并记录。

6.2 单件样品

1. 核对样品编号、PZT区组、负载实测值和通道量程。
2. 检查点阵、氧化铝均压板、PZT夹盒、电气隔离和引线。
3. 安装点阵样品，确认加载方向和位置。
4. 施加20 N预载，设置位移零点并检查电压基线。
5. 按预先保存的条件顺序完成公共负载D05或D10，稳定20周期后采集20周期。
6. 完成另一公共负载条件，稳定20周期后采集20周期。
7. 保持装夹不变，按随机顺序完成五档D10-R。
8. 卸载并检查样品及装置，保存全部运行文件。
9. 更新电学测试记录和样品清单。

公共负载下的D05和D10是六构型比较的主要数据。负载扫描用于确定电阻响应和实测最优负载，不用各样品的最优负载替代公共负载主结果。

D10-R以20周期平均$E_{elec}$最大的实际$R_{eff}$作为实测最优有效负载，同时报告对应的$E_{load}$。若两者的峰值位置不同，应分别记录。

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七、原始数据与文件命名

每次运行保存试验机原生文件和一份不可覆盖的时序导出文件。文件名前缀采用：

YYYYMMDD_Block_Sample_Condition_Load_Run

示例：20260714_B1_SS-01_D10_Rcommon_01。

原始时序至少包含：

字段	单位	说明
time	s	同一采集时钟的时间
force_raw	N或原始电压	保留原始通道和标定信息
displacement_raw	mm或原始电压	保留原始通道和标定信息
voltage_raw	V	电压前端输出或PZT端电压
condition	—	D05、D10或D10-R
load_id	—	对应实测负载记录

处理文件另行增加修正后的力、位移、PZT端电压、周期编号和质量标记。原始文件不得平滑、删点、改写或由处理文件覆盖。

滤波带宽、周期切分方法和噪声处理方式可以用调试数据确定。若使用预实验数据调整，应按冻结后的规则重新处理全部预实验运行；正式数据全部使用同一版本。

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八、处理结果字段

每次运行的20个连续采集周期按数据处理统一处理。实验记录至少保存实际频率、位移幅值、力幅值、$E_{load}$、$E_{elec}$、$P_{avg}$、$W_{+}$、$K_e$、${\eta }_{app}$及其周期离散程度。

$F_{amp}$必须来自同步实测力，不能由设定位移或静态刚度推算。电能必须使用完整电压波形、实际时间列和实测$R_{eff}$积分；峰值电压只用于检查量程和波形，不用于计算平均功率。${\eta }_{app}$是当前装置边界下的表观比值，不代表PZT材料本征效率。

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九、异常、重复测试与停机

9.1 运行无效但样品可重测

出现采集丢失、通道削顶、不同步、负载接触不良、样品滑移或位移控制异常时：

1. 停止该运行；
2. 保留原始文件并标记原因；
3. 修复问题后使用新的运行编号重新测试；
4. 不覆盖原运行。

9.2 样品或PZT异常

• 点阵出现断杆、开裂或明显永久变形时，按样品清单记录退出；
• PZT出现裂纹、异常放电、电极或引线损伤时，停止该PZT区组；
• 更换备用PZT后，新的PZT构成新的区组，原区组数据标记为不完整；
• 新区组必须重新完成六构型，不得只补测原区组尚未完成的构型；
• PZT参考响应超过冻结的漂移界限时，暂停该区组并检查装夹、负载、前端和PZT状态。

9.3 安全限值

力、位移和电压的停机限值应根据预实验、载荷传感器量程、PZT供应商限制和电压前端量程确定，并填写在电学测试记录中。限值尚未确定前，不运行正式样品。

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十、开始正式测试前检查

• 动态试验机可以稳定执行1 Hz的D05和D10；
• 力、位移和电压已经实现同一时钟采集；
• 位移测量位置和修正方法已经冻结；
• 电压前端增益、输入阻抗、输入电容和量程已经记录；
• 5片正式PZT及B1～B5对应关系已经确定；
• 公共$R_{load}$、实际$R_{eff}$和五档扫描负载已经确定；
• 负载电阻的实测值和允许电压已经记录；
• 预实验及重新装夹检查已经完成；
• PZT参考响应方法和漂移处理规则已经冻结；
• 滤波、周期切分、噪声处理和异常判定规则已经冻结；
• 样品分配、区组顺序、构型顺序和负载顺序已经保存；
• 原始文件目录、命名方式和备份位置已经建立。