CN104698294B - 一种动态测量压电材料高温压电系数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态测量压电材料高温压电系数的装置，包括：装载有作为待测压电材料的压电片的压电加速度传感器；将所述压电加速度传感器加热到规定温度的温控加热单元；输出规定加速度以用于激励所述压电加速度传感器输出电荷信号的振动输出单元；采集由所述压电加速度传感器输出的电荷信号并基于所述电荷信号得到所述待测压电材料在所述规定温度下的压电系数的数据采集处理单元。采用本发明可以实现在不同温度下实时测量压电材料的压电系数。

Description

一种动态测量压电材料高温压电系数的装置

技术领域

本发明属于压电材料的测试设备领域，涉及一种动态测量压电材料高温压电系数的装置。

背景技术

压电材料（包含陶瓷和单晶）是实现机-电能量转换和耦合的一类极其重要的功能材料，在航空航天、电子信息、能源、先进制造、医疗系统和武器装备等领域有广泛的应用。近年来，我国在航空航天、能源、医疗和空间技术等领域发展十分迅速，对其中关键功能部件提出了越来越苛刻的要求。在一些领域应用的压电器件如声波测井仪、超声电机、高温压电振动传感器等的一个共同特点就是工作环境温度高，这就要求压电材料在高温下能稳定、可靠的工作。

压电系数是表征压电材料性能的一个重要参数。目前通用的压电系数测试设备（或测量装置）为美国的 YE2730以及中国科学院声学研究所研发的ZJ系列准静态压电系数测量仪，但这些测量设备都只能测量压电材料在室温时的压电系数。而在高温时对压电材料压电系数进行表征，国内外尚无成熟的测试设备或装置。

虽然德国的一个研究小组报道了一种采用激光测振法表征不同温度下压电材料的压电系数d₃₃(J. Am. Ceram. Soc. 2012, 95:711-715)，但是该方法目前主要用于该实验室，尚未得到推广普及应用。目前，文献报道的通行表征手段是在高温炉中将压电材料样品在不同温度下进行退极化处理，待样品冷却至室温后，测量其压电系数 (Adv. Mater.2005, 17:1261-1265)，该手段只能间接地通过压电系数的变化来反应压电性能的温度稳定性，不能有效、实时的评价高温时的压电性能。

因此，如何实现在不同温度下实时测量压电材料的压电系数，是高温压电材料及其相关器件研制过程中的关键难题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中尚无在不同温度下实时对压电材料压电系数进行表征的测试设备或装置的问题，提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的装置。

本发明所提供的动态测量压电材料高温压电系数的装置，包括：装载有作为待测压电材料的压电片的压电加速度传感器；将所述压电加速度传感器加热到规定温度的温控加热单元；输出规定加速度以用于激励所述压电加速度传感器输出电荷信号的振动输出单元；采集由所述压电加速度传感器输出的电荷信号并基于所述电荷信号得到所述待测压电材料在所述规定温度下的压电系数的数据采集处理单元。

根据本发明，通过温控加热单元将装载有作为待测压电材料的压电片的压电加速度传感器加热到规定温度，并通过振动输出单元输出规定加速度以用于激励压电加速度传感器输出电荷信号，且通过数据采集处理单元采集由压电加速度传感器输出的电荷信号并基于该电荷信号得到待测压电材料在该规定温度下的压电系数。从而可以实现在不同温度下实时测量压电材料的压电系数，克服了目前传统压电系数测试装置只能测量压电材料在室温时的压电系数，而无法获得不同温度时的压电系数的这一关键难题。

又，在本发明中，也可以是，还包括连接在所述压电加速度传感器的输出端与所述数据采集处理单元之间以放大所述压电加速度传感器输出的所述电荷信号的电荷放大器。

根据本发明，通过连接在压电加速度传感器的输出端与数据采集处理单元之间的电荷放大器将压电加速度传感器输出的电荷信号放大后再输入至数据采集处理单元，从而数据采集处理单元可基于该放大的电荷信号更有效且准确地得到待测压电材料在规定温度下的压电系数。

又，在本发明中，也可以是，所述振动输出单元包括用于载置所述压电加速度传感器并输出所述规定加速度的振动台和用于控制所述振动台输出的加速度的振动控制部。

根据本发明，通过振动控制部控制振动台以输出规定加速度，从而用于激励压电加速度传感器输出电荷信号。

又，在本发明中，也可以是，所述振动台选自符合国家标准GB/T18328-2001的振动台。

根据本发明，选用符合国家标准GB/T18328-2001的振动台可确保输出规定加速度的准确性和可靠性。

又，在本发明中，也可以是，所述温控加热单元包括用于对所述压电加速度传感器进行加热的加热炉、用于支持所述加热炉的炉体支架、和用于控制所述加热炉所产生的温度的温度控制器。

根据本发明，通过温度控制器控制加热炉所产生的温度，以将压电加速度传感器加热到所需的规定温度，从而可以有利于实现在不同温度下实时测量压电材料的压电系数。

又，在本发明中，也可以是，所述压电加速度传感器包括压缩式压电加速度传感器。

根据本发明，采用压缩式压电加速度传感器可直接测算出压电系数d₃₃。

本发明的有益效果：

采用本发明的动态测量压电材料高温压电系数的装置可动态测量不同温度下的压电材料的压电系数，例如可测量从室温到760℃温度范围内的压电系数，克服了目前传统压电系数测试装置只能测量压电材料在室温时的压电系数，而无法获得不同温度时的压电系数的这一关键难题，为压电材料的实际高温应用起到了重要的推进作用。

附图说明

图1示出了本发明的一实施形态的动态测量压电材料高温压电系数的装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

为了解决目前在实时测量压电材料高温压电系数方面没有相应的测试设备或装置这一难题，本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的装置，以满足高温压电材料及相关器件研制过程中对高温电压系数和温度稳定性的评价要求，为压电材料在高温领域的实际应用起到了推进作用。

本发明所提供的动态测量压电材料高温压电系数的装置，包括：装载有作为待测压电材料的压电片的压电加速度传感器；将所述压电加速度传感器加热到规定温度的温控加热单元；输出规定加速度以用于激励所述压电加速度传感器输出电荷信号的振动输出单元；采集由所述压电加速度传感器输出的电荷信号并基于所述电荷信号得到所述待测压电材料在所述规定温度下的压电系数的数据采集处理单元。

以下，结合附图进一步详细说明本发明。图1示出了本发明的一实施形态的动态测量压电材料高温压电系数的装置的结构示意图。

如图1所示，本实施形态中的动态测量压电材料高温压电系数的装置包括装载有作为待测压电材料的压电片（图示省略）的压电加速度传感器2。其中，待测压电材料例如可以是陶瓷和单晶等压电材料。且该压电加速度传感器2可为使用待测压电材料根据压电传感器装配要求组装而成的压电加速度传感器，其例如可以是压缩式压电加速度传感器，但本发明不限于此。

该动态测量压电材料高温压电系数的装置还包括将压电加速度传感器2加热到规定温度的温控加热单元3。在本实施形态中，该温控加热单元3可包括用于对压电加速度传感器2进行加热的加热炉301、用于支持加热炉301的炉体支架302、和用于控制加热炉301所产生的温度的温度控制器303。该加热炉301可以加热到不同温度，从而可以有利于实现在不同温度下实时测量压电材料的压电系数d₃₃。该加热炉301例如可以是可进行高温加热的高温加热炉。

又，该动态测量压电材料高温压电系数的装置还包括输出规定加速度以用于激励压电加速度传感器2输出电荷信号的振动输出单元1。在本实施形态中，该振动输出单元1包括用于载置压电加速度传感器2并输出规定加速度的振动台101和用于控制该振动台101输出的加速度的振动控制部102。通过振动控制部102控制振动台101以输出所需的规定加速度，从而用于激励压电加速度传感器2输出电荷信号。在本实施形态中，振动台101选自符合国家标准GB/T18328-2001的振动台，但本发明不限于此。

此外，该动态测量压电材料高温压电系数的装置还包括采集由压电加速度传感器2输出的电荷信号并基于该电荷信号得到待测压电材料在规定温度下的压电系数d₃₃的数据采集处理单元5。

该数据采集处理单元5例如可基于采集到的来自压电加速度传感器2的电荷信号，根据电荷信号与压电系数之间的关系式，计算得到压电材料在规定温度下的压电系数d₃₃。电荷信号与压电系数之间的关系式例如可包括：采用输出电荷信号与加速度计算传感器电荷灵敏度的公式、采用作用于压电片的外力、压电系数计算压电片输出电荷信号的公式、以及采用质量块的质量和加速度计算施加于压电片外力的公式等。

以下进一步详细说明采用本实施形态的动态测量压电材料高温压电系数的装置进行测量的过程。

在本实施形态中，压电加速度传感器2可采用压缩式压电加速度传感器，虽然未图示，但其主要包括从上而下依次堆叠的质量块、压电片和基座，和设置于压电片中的输出端，以及设置于质量块上方的弹簧。

在测量时，通过温控加热单元3将压电加速度传感器2加热到规定温度，并通过振动控制部102控制振动台101以输出规定加速度。传感器基座与振动台101刚性固定在一起。当传感器感受到来自振动台101的振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此，质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变电压。当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与振动台101的加速度成正比。

输出电荷由传感器输出端引出，输入到电荷放大器4后就可以用数据采集处理单元5基于上述电荷信号与压电系数之间的关系式得到在规定温度下的压电系数d₃₃。例如，数据采集处理单元5可采用输出电荷信号与上述规定的加速度计算传感器电荷灵敏度，且由于压电加速度传感器的电荷灵敏度Sq正比于压电片的压电系数d₃₃，因此可得到在该规定温度下的压电片的压电系数d₃₃。

根据本实施形态的动态测量压电材料高温压电系数的装置可实现压电材料在室温到760℃温度范围内压电系数d₃₃的测试，从而实现了在不同温度下实时测量压电材料的压电系数，克服了目前传统压电系数测试装置只能测量压电材料在室温时的压电系数，而无法获得不同温度时的压电系数的这一关键难题。

进一步地，如图1所示，该动态测量压电材料高温压电系数的装置还可包括连接在压电加速度传感器2的输出端与数据采集处理单元5之间以放大压电加速度传感器2输出的电荷信号的电荷放大器4。通过该电荷放大器4将压电加速度传感器2输出的电荷信号放大后再输入至数据采集处理单元5，从而数据采集处理单元5可基于该放大的电荷信号更有效且准确地得到待测压电材料在规定温度下的压电系数d₃₃。

采用本发明的动态测量压电材料高温压电系数的装置可动态测量压电材料从室温到760℃温度范围内的压电系数，克服了目前传统压电系数测试装置只能测量压电材料在室温时的压电系数，而无法获得不同温度时的压电系数的这一关键难题，为压电材料的实际高温应用起到了重要的推进作用。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种动态测量压电材料高温压电系数d₃₃的装置，其特征在于，包括：

装载有作为待测压电材料的压电片的压缩式压电加速度传感器；

将所述压缩式压电加速度传感器加热到规定温度的温控加热单元；

输出规定加速度以用于激励所述压缩式压电加速度传感器输出电荷信号的振动输出单元；

采集由所述压缩式压电加速度传感器输出的电荷信号并基于所述电荷信号得到所述待测压电材料在所述规定温度下的压电系数d₃₃的数据采集处理单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括连接在所述压缩式压电加速度传感器的输出端与所述数据采集处理单元之间以放大所述压缩式压电加速度传感器输出的所述电荷信号的电荷放大器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振动输出单元包括用于载置所述压缩式压电加速度传感器并输出所述规定加速度的振动台和用于控制所述振动台输出的加速度的振动控制部。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述振动台选自符合国家标准GB/T18328-2001的振动台。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述温控加热单元包括用于对所述压缩式压电加速度传感器进行加热的加热炉、用于支持所述加热炉的炉体支架、和用于控制所述加热炉所产生的温度的温度控制器。