CN104698295A - 一种动态测量压电材料高温压电系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，包括：1）制备采用待测压电材料作为压电片的压电加速度传感器；2）将压电加速度传感器固定在振动台上；3）将压电加速度传感器加热至规定温度，并在该规定温度下使得振动台输出规定加速度；4）测量出在规定温度、以及规定加速度下传感器输出端的输出电荷量，并根据电荷量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。采用本发明所述方法可动态测量压电材料在不同温度时的压电系数。

Description

一种动态测量压电材料高温压电系数的方法

技术领域

本发明属于压电材料的测试技术领域，涉及一种动态测量压电材料高温压电系数的方法。

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。根据现行国家标准GB/T3389-2008和GB/T11309-1989，采用静态和准静态方法都只能测量压电材料在室温时的压电系数。而对压电材料在高温时压电系数的测量，国内外尚无相应的测试方法和标准，也没有成熟的测试装置。目前，文献报道的通行替代方法是先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，采用静态或者准静态方法测量其压电系数，然后通过压电系数的变化来评价压电材料压电性能的温度稳定性(Adv.Mater.2005,17:1261-1265)。该方法可在一定程度上通过压电系数的变化来反映压电材料的温度稳定性，但是还远不能满足实际应用中实时测量高温压电系数的要求。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，进而评价其温度稳定性，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

本发明旨在填补现有技术无法直接在高温条件下测量压电材料的压电系数的技术空白，本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法。

本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，包括：

1)制备采用待测压电材料作为压电片的压电加速度传感器；

2)将压电加速度传感器固定在振动台上；

3)将压电加速度传感器加热至规定温度，并在该规定温度下使得振动台输出规定加速度；

4)测量出在规定温度、以及规定加速度下传感器输出端的输出电荷量，并根据电荷量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。

较佳地，当单片待测压电材料的压电系数小于30pC/N时，制备采用并联的多片待测压电材料作为压电片的压电加速度传感器，并采用上述方法测量待测压电材料在规定温度下的压电系数。

较佳地，并联的多片待测压电材料的压电系数大于50pC/N。

较佳地，压电加速度传感器包括压缩式压电加速度传感器。

较佳地，振动台选自符合国家标准GB/T18328-2001的振动台。

较佳地，采用可升降式高温加热炉将压电加速度传感器加热至规定温度。

较佳地，加热压电加速度传感器的过程中，升温速率为2～5℃/分钟，在规定温度下保温10～30分钟后，再使得振动台输出规定加速度。

较佳地，输出电荷量通过前置放大器后，再用于计算压电系数。

较佳地，所述电荷量与压电系数之间的关系式包括：采用输出电荷量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量的公式、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。

本发明的有益效果：

采用本发明所述方法可动态测量压电材料在不同温度时的压电系数，克服了目前采用传统方法只能测量压电材料在温室时的压电系数，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示出了本发明的一个实施方式中采用的压缩式压电加速度传感器结构原理示意图；

图2示出了本发明的一个实施方式中测得的不同温度下PNB压电陶瓷的压电系数；

图3示出了本发明的一个实施方式中测得的不同温度下CBT压电陶瓷的压电系数。

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原位测量压电材料高温压电系数方面没有相应的测试方法这一难题，本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，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。

本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，该测试方法基于下述电学和力学的基本原理。

图1为压缩式压电加速度传感器结构原理示意图。其工作原理是，在测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受振动时，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，亦即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器就可以用相应的测量仪器测出试件的加速度等参数。

压电加速度传感器的灵敏度是指其输出电量(电荷或者电压)与输入量(加速度)的比值，是表征传感器性能的一个重要指标。常用电荷灵敏度S_q表示，即

$\mathrm{Sq}=\frac{Q}{a}---(1-1)$

其中，Q为压电传感器输出电荷量，单位为C；a为被测加速度，单位为m·s^-2。

当压电片受外力F作用后，在表面上产生的电荷为

Q＝d₃₃F  (1-2)

其中，d₃₃为压电片的压电系数，单位为pC(10^-12C)；F为所施加外力大小，单位为N；

根据牛顿第二运动定律，传感器质量块m的加速度a与作用在质量块上的力F有如下关系：F＝ma  (1-3)

结合式(1-1)，(1-2)和(1-3)，压电加速度传感器的电荷灵敏度可用以下公式表示：

$\mathrm{Sq}=\frac{Q}{a}=\frac{d_{33}\mathrm{ma}}{a}=d_{33}m---(1-4)$

从式(1-4)可以看出，压电加速度传感器的电荷灵敏度S_q正比于压电片的压电系数d₃₃。

基于上述基本原理，本发明提出采用一种通过测量压电加速度传感器在不同温度时的电荷灵敏度，进而测算对应压电片的高温压电系数的方法。该方法包括下述步骤：

1.将压电片组装成压电加速度传感器。组装过程中，要充分考虑到压电片压电系数与质量块的匹配；若压电系数偏小，可并联多片压电片，这种情况下，式(1-4)的压电系数d₃₃为多片压电片压电系数的叠加和；

2.将压电加速度传感器刚性固定在振动台上(可输出不同频率范围内不同大小的加速度)；

3.用高温炉将压电加速度传感器加热至不同温度，升温速率为2～5℃/分，每个测试温度点保温10～30分钟后，在振动台输出一定加速度时，测量传感器输出端输出电荷量；

4.根据式(1-4)测算出不同温度下的电荷灵敏度和对应的压电系数；

采用该方法可有效实时动态测量压电材料的高温压电系数，进而评价其高温稳定性能。

1.1所述的压电传感器组装，组装过程中，要充分考虑到压电片压电系数与质量块的匹配，若压电系数偏小，可并联多片压电片。

1.2所述的振动台，振动台的选择依据为国家标准GB/T18328-2001。

1.3所述的高温炉加热，升温速率为2～5℃/分，每个测试温度点保温10～30分钟。

本发明公开了一种动态测量压电材料(包含陶瓷和单晶)高温压电系数的方法，其具体步骤是首先将符合尺寸要求的压电材料组装成压电加速度传感器，然后在不同温度下通过标准振动台测量传感器的电荷灵敏度，最后通过压电系数与电荷灵敏度之间的关系测算出不同温度下压电材料的压电系数；

采用本发明所述方法可动态测量压电材料在不同温度时的压电系数，克服了目前采用传统方法只能测量压电材料在温室时的压电系数，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。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

1.将PbNb₂O₆(PNB)压电陶瓷片组装成压电加速度传感器。室温时，PNB压电陶瓷的压电系数d₃₃为80pC/N；PNB采用单片组装，同时根据传感器组装要求，选择与PNB陶瓷片相匹配的质量块根据图1所示结构进行组装；

2.将PNB压电传感器通过螺栓紧固方式固定在标准振动台上；

3.采用可升降式高温炉将PNB压电传感器加热至不同温度，升温速率为3℃/分，每个测试温度点保温30分钟。PNB压电传感器的最高加热温度为500℃。标准振动台的输出加速度为a＝5g(g为重力加速度)，传感器输出端的输出电荷通过电荷放大器后，通过数据采集及处理，获得实际输出电荷量；

4.根据式(1-4)测算出不同温度下PNB压电陶瓷的压电系数。图2为采用本发明方法得到的不同温度下PNB压电陶瓷的压电系数。

实施例2

1.将CaBi₄Ti₄O₁₅(CBT)压电陶瓷片组装成压电加速度传感器。室温时，CBT压电陶瓷的压电系数d₃₃为18pC/N；为提高测试精度，CBT陶瓷片采用5片并联方式组装(总压电系数为90pC/N)，同时根据传感器组装要求，选择与CBT陶瓷片相匹配的质量块根据图1所示结构进行组装；

2.将CBT压电传感器通过螺栓紧固方式固定在标准振动台上；

3.采用可升降式高温炉将CBT压电传感器加热至不同温度，升温速率为3℃/分，每个测试温度点保温30分钟。CBT压电传感器的最高加热温度为650℃。标准振动台的输出加速度为a＝5g(g为重力加速度)，传感器输出端的输出电荷通过电荷放大器后，通过数据采集及处理，获得实际输出电荷量；

4.根据式(1-4)测算出不同温度下CBT压电陶瓷的压电系数。图3为采用本发明方法得到的不同温度下CBT压电陶瓷的压电系数。

Claims (9)

1.一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，其特征在于，包括：

1）制备采用待测压电材料作为压电片的压电加速度传感器；

2）将压电加速度传感器固定在振动台上；

3）将压电加速度传感器加热至规定温度，并在该规定温度下使得振动台输出规定加速度；

4）测量出在规定温度、以及规定加速度下传感器输出端的输出电荷量，并根据电荷量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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当单片待测压电材料的压电系数小于30pC/N时，制备采用并联的多片待测压电材料作为压电片的压电加速度传感器，并采用上述方法测量待测压电材料在规定温度下的压电系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，并联的多片待测压电材料的压电系数大于50pC/N。

4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，压电加速度传感器包括压缩式压电加速度传感器。

5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，振动台选自符合国家标准GB/T18328-2001的振动台。

6.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，采用高温加热炉将压电加速度传感器加热至规定温度。

7.根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，加热压电加速度传感器的过程中，升温速率为2~5℃/分钟，在规定温度下保温10~30分钟后，再使得振动台输出规定加速度。

8.根据权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，输出电荷量通过前置放大器后，再用于计算压电系数。

9.根据权利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于，所述电荷量与压电系数之间的关系式包括：采用输出电荷量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量的公式、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。