CN104965130A - 压电常数随温度连续变化的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电常数随温度连续变化的测量装置及测量方法，所述的测量装置包括电压源、压电参数测量仪和风向导向管，风向导向管的出风口端与压电参数测量仪相接，风向导向管内设有加热元件，该加热元件与电压源连接；测量时，先对温度系数进行校准，再进行压电常数随温度连续变化的测量。本发明采用电加热的方式，对压电样品实施局部升温，实现了压电常数随温度变化的实时监测，能够测量室温偏上一段温度范围内的压电常数，精确测出压电器件的温度稳定性，以便精确测定该压电器件的温度使用范围。本发明可以在压电性能不低于某一性能指标下给出其精确的使用温度范围，适用于各种压电陶瓷，包括含铅压电陶瓷和无铅压电陶瓷。

Description

压电常数随温度连续变化的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种压电常数的测量方法，具体地说，涉及一种用于对压电材料的压电常数在室温附近随温度连续变化的测量方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，是属于功能陶瓷材料的一种，也属于无机非金属材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务。

压电常数是压电陶瓷最重要的性能参数，压电常数越大，表示压电性能越好，即单位压力下能产生更多的电荷，或者单位电场下能产生更大的应力形变。影响压电常数的因素有很多，其中温度是主要影响因素之一。通常温度升高时，压电常数会降低，特别地，当温度升高到样品的居里温度时，压电效应消失，压电常数降为零，而且此过程中是不可逆的。因此，在实际应用中，必须避免压电陶瓷的工作温度升高到居里温度以上，通常每一种压电陶瓷器件都会严格限制其使用温度范围。然而，压电陶瓷在反复的温度变化下，其压电性能也会出现老化，因此，压电常数的温度稳定性成为影响其实际应用的主要指标之一。

为表征压电陶瓷的温度稳定性，目前采用的方案是进行热处理，即把样品放入炉子中升至某一温度保持一段时间，然后降到室温后测量其压电常数。作为典型的研究方法，参见杜鹃于2010年的博士论文“无铅压电陶瓷性能和温度稳定性的研究”，又有徐霞等于2000年发表的论文“偏铌酸铅压电陶瓷材料老化问题的探讨”，以及周飞等于2004年发表的论文“镍掺杂PMS_PZ_PT三元系压电陶瓷压电性能及其热老化行为的研究”，均是采用这种方法。目前在提高压电陶瓷温度稳定性方面有较多专利(如公开号为CN103539448A的中国专利申请、公告号为CN103693965B的中国专利等)，但在连续温度下表征压电常数方面尚无相关的文献及专利。

上述热处理方法中，热处理后压电常数的测量也是在室温下进行的，可以测量其老化程度，但却不能实时掌握压电陶瓷在偏离室温时的性能，即不能获得压电陶瓷在单次温度波动周期内的压电性能变化信息。

由上可知，现有的压电常数测量全都是在室温下测得，即所有测得的压电常数均是在某个温度点下测量的。其主要原因是测量压电常数的仪器较大，属于精密仪器，仪器的工作温度范围一般为0℃-40℃，若放于恒温箱中连续测量压电常数会损伤仪器的电子部件，降低精度、缩减使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对压电常数测量过程中存在的不能实际掌握压电陶瓷在偏离室温时的性能等上述问题，提供一种压电常数随温度连续变化的测量装置及测量方法，能够实时测得压电器件在偏离室温以上时的压电性能，可以在压电性能不低于某一性能指标下给出其精确的使用温度范围，适用于各种压电陶瓷，包括含铅压电陶瓷和无铅压电陶瓷。

本发明的技术方案是：一种压电常数随温度连续变化的测量装置，该装置包括电压源、压电参数测量仪和风向导向管，风向导向管的出风口端与压电参数测量仪相接，风向导向管内设有加热元件，该加热元件与电压源连接。采用电加热的方式，由电压源对加热元件进行加热，通过对电阻丝两端的电压U的控制，实现对热功率的控制，即其中，P为电压源功率，R为电压源电阻丝的阻值，U为加热与电压源电阻丝两端的电压值。该电压源可以实现功率从0到额定功率的连续变化。

进一步的，为了提高热能利用率，在所述风向导向管内的进风口端设有风机，在对样品进行测量时，可以实现把热源产生的大部分热量通过热对流和热辐射两种方式传递给样品，避免了单纯热辐射加热效率低下的特点。

作为优选，为了降低样品内部的温度不均匀性，并提高加热效率，所述的风向导向管设有两向或多向，且两向或多向风向导向管对称式并行排列，进行并行加热。

本发明还提供了一种压电常数随温度连续变化的测量方法，采用上述测量装置进行测量，其测量方法步骤为：

(1)温度系数C的校准：放置样品于压电常数测量仪上，把热电偶温度计端放置于样品表面，测量室温t₀；打开电压源，设定初始电压值U₁，待电压稳定后，记录此时风向导向管的出口温度t₁；升高电压至U₂，带电压稳定后，记录此时风向导向管的出口温度t₂；以此类推，利用公式计算获得温度系数C，式中，t为风向导向管的出口温度，R为电压源电阻值，从而获得电压U、温度t和温度系数C一一对应的关系数据表。

(2)温度稳定性曲线测量：放置样品于压电常数测量仪上，打开压电常数测量仪，测量室温t₀下的压电常数d₃₃，关闭压电常数测量仪；打开电压源，设定初始电压值U₁，待电压稳定后，打开压电常数测量仪，测量压电常数d₃₃，关闭压电常数测量仪；依次类推，直至压电常数d₃₃降为临界值为止；升高电压，每升高一次电压源电压值测量一次压电常数，再利用步骤(1)中获得的关系数据表，即可得到温度与压电常数的对应关系，并绘制温度稳定性曲线。

本发明的有益效果是：本发明设计的测量装置结构简单、操作方便，通过设计的测量装置对压电样品实施局部升温，实现了压电常数随温度变化的实时监测，能够测量室温偏上一段温度范围内的压电常数，精确测出压电器件的温度稳定性，以便精确测定该压电器件的温度使用范围。本发明可以在压电性能不低于某一性能指标下给出其精确的使用温度范围，适用于各种压电陶瓷，包括含铅压电陶瓷和无铅压电陶瓷。压电陶瓷在实际使用过程中，由于自身损耗的存在，以及环境温度的变化，其自身的温度会伴随较大的波动，其压电性能会有所下降，对于较精密的仪器，这一下降值是需要考虑的，而本发明可以精确测出压电性能随温度的下降值。

附图说明

图1为本发明具体实施例测量装置的结构示意图。

图2为本发明具体实施例测量方法中加热温度与电压源电阻丝电压关系图。

图3为本发明具体实施例测量方法中压电常数随温度的变化曲线图。

图中，1、电压源，2、压电常数测量仪，3、风向导向管，4、加热元件，5、风机，6、压电陶瓷样品。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种压电常数随温度连续变化的测量装置，该装置包括电压源1、压电参数测量仪2和风向导向管3，风向导向管3的出风口端与压电参数测量仪2相接，风向导向管3内设有加热元件4，该加热元件4与电压源1连接。采用电加热的方式，由电压源对加热元件进行加热，通过对电阻丝两端的电压U的控制，实现对热功率的控制，即其中，P为电压源功率，R为电压源电阻丝的阻值，U为加热与电压源电阻丝两端的电压值。该电压源可以实现功率从0到额定功率的连续变化。

本实施例中，为了提高热能利用率，在所述风向导向管3内的进风口端设有风机5，在对样品进行测量时，可以实现把热源产生的大部分热量通过热对流和热辐射两种方式传递给样品，避免了单纯热辐射加热效率低下的特点。

本实施例中，压电常数测量仪2可以采用巨力科技有限公司生产的精密压电系数测试仪，或者无锡裕天科技有限公司生产的YE2730A准静态压电常数|D33测量仪。

本实施例中，还提供了一种压电常数随温度连续变化的测量方法，采用上述测量装置进行测量，其测量步骤为:

(1)温度系数C的校准：放置样品于压电常数测量仪上，把热电偶温度计端放置于样品表面，测量室温t₀；打开电压源，设定初始电压值U₁，待电压稳定后，记录此时风向导向管的出口温度t₁；升高电压至U₂，带电压稳定后，记录此时风向导向管的出口温度t₂；以此类推，利用公式计算获得温度系数C，式中，t为风向导向管的出口温度，R为电压源电阻值，从而获得电压U、温度t和温度系数C一一对应的关系数据表。特别说明的是，由于温度的控制较难实现，本发明采用温度间隔约5-10度测定一次，测量完成后利用三次样条插值方法将数据表扩展为温度间隔为1度，以方便查阅。加热温度与电压源电阻丝电压的关系图如图2所示。

(2)温度稳定性曲线测量：放置样品于压电常数测量仪上，打开压电常数测量仪，测量室温t₀下的压电常数d₃₃，关闭压电常数测量仪；打开电压源，设定初始电压值U₁，待电压稳定后，打开压电常数测量仪，测量压电常数d₃₃，关闭压电常数测量仪；依次类推，直至压电常数d₃₃降为临界值为止；升高电压，每升高一次电压源电压值测量一次压电常数，再利用步骤(1)中获得的关系数据表，可以查到该电压对应的温度，即可得到温度与压电常数的对应关系，并绘制温度稳定性曲线，如图3中从t₀到t_w之间的曲线。特别说明的是，温度间隔可根据实际情况变动，不受步骤(1)影响。

由3所示压电常数随温度的变化曲线图可知，压电常数会随温度的升高而降低，如图3中的A、B曲线，理性情况为图3中的C曲线，在温度达到居里温度T_C之前，压电常数不变。由此可以看出，图3中，A曲线表示压电稳定性较好，其工作温度范围较宽，B曲线表示压电稳定性较差，其工作温度范围较窄。

由于样品温度的测量可以直接把热电偶放置于样品表面，作为本实施例的延伸，可以使用AD转换模块直接采集温度和压电常数数据到计算机中，以减少人工记录造成的误差。若采用计算机自动记录的方法，则可以减慢持续提高热源功率，并连续测量压电常数，待完全测量结束后再关闭压电常数测量仪。

本发明压电常数随温度连续变化的测量方法与现有热处理法测量压电常数相比，可以实时测出不同温度下的压电常数，进而可以给出压电常数下降到某一临界值时的温度，如图3所示的压电常数降到90％时的温度值t_w，从室温t₀到临界温度t_w之间的温度段可以作为压电器件的额定工作温度范围，更进一步地，这一温度范围可以作为压电器件的实用性能参数之一，而现有的热处理法只能测量室温下的压电常数，不能绘出如图3所示的连续变化曲线，进而不能给出这一压电性能参数。

作为本实施例的延伸，为了降低样品内部的温度不均匀性，并提高加热效率，所述的风向导向管设有两向或多向，且两向或多向风向导向管对称式并行排列，进行并行加热。

以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims (4)

1.一种压电常数随温度连续变化的测量装置，其特征在于：该装置包括电压源、压电参数测量仪和风向导向管，风向导向管的出风口端与压电参数测量仪相接，风向导向管内设有加热元件，该加热元件与电压源连接。

2.如权利要求1所述的压电常数随温度连续变化的测量装置，其特征在于：所述风向导向管内的进风口端设有风机。

3.如权利要求1所述的压电常数随温度连续变化的测量装置，其特征在于：所述的风向导向管设有两向或多向，且两向或多向风向导向管对称式并行排列。

4.一种压电常数随温度连续变化的测量方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的测量装置进行测量，其测量方法步骤为：

(1)温度系数C的校准：放置样品于压电常数测量仪上，把热电偶温度计端放置于样品表面，测量室温t₀；打开电压源，设定初始电压值U₁，待电压稳定后，记录此时风向导向管的出口温度t₁；升高电压至U₂，带电压稳定后，记录此时风向导向管的出口温度t₂；以此类推，利用公式计算获得温度系数C，式中，t为风向导向管的出口温度，R为电压源电阻值，从而获得电压U、温度t和温度系数C一一对应的关系数据表；

(2)温度稳定性曲线测量：放置样品于压电常数测量仪上，打开压电常数测量仪，测量室温t₀下的压电常数d₃₃，关闭压电常数测量仪；打开电压源，设定初始电压值U₁，待电压稳定后，打开压电常数测量仪，测量压电常数d₃₃，关闭压电常数测量仪；依次类推，直至压电常数d₃₃降为临界值为止；升高电压，每升高一次电压源电压值测量一次压电常数，再利用步骤(1)中获得的关系数据表，即可得到温度与压电常数的对应关系，并绘制温度稳定性曲线。