CN106404830B - 一种电卡测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电卡测量装置，包括放置待测材料的测量腔室、温控系统、电源以及温度传感器；温控系统用于将测量腔室内空气及待测材料加热或制冷到预设测量温度；电源用于根据控制信号为待测材料加载周期性电压，以使待测材料产生电卡热量或冷量；温度传感器用于采集待测材料与测量腔室内环境换热的热量并传送至外部信号采集系统，以获取所述待测材料的电卡性能。本发明通过用温度传感器直接测量电卡材料在充放电周期内的温度变化，可以快速、准确地测得电卡材料在不同温度、不同电场下的电卡性能，避免了间接法测量中数值计算和模拟带来的测量误差，提高了电卡性能测量的精度和可信度，可以为众多电卡领域的研究和应用技术人员提供便利。

Description

一种电卡测量装置

技术领域

本发明涉及电卡材料电卡性能测量技术领域，具体的是涉及一种基于直接法测量电卡材料的电卡性能的测量装置。

背景技术

电卡材料是一种常见的功能材料，其表现出的电卡效应是由于极性材料在外电场的改变导致极化状态发生改变而产生的绝热温度或等温熵的变化。电卡效应最早在1880年于罗息盐(Rochlle Salt)中被发现。随后的相当长时间内，实验得到的电卡效应因为较弱、尚未达到应用的要求并未引起太多关注。

随着Mischenko于2006年和Neese于2008年在《Science》杂志上分别报道了温度变化超过10K的铁电薄膜和可在常温工作的铁电聚合物，更多具有巨电卡效应的铁电陶瓷和铁电聚合物相继被发现，吸引了众多研究机构的注意，掀起了电卡研究的热潮。

电卡材料的研究热潮使研究人员对电卡性能测量装置的稳定性和精准度提出了更高要求。测量电卡材料性能主要有两种方法：间接法和直接法。间接法又分为两种，一种是通过测量不同温度下的极化率随电场的变化曲线(P-E曲线)再经过一系列数值模拟和计算得到；另一种则直接通过唯象理论计算获得。直接法也有两种：一种是通过改进的差热分析仪测得，另一种则通过高分辨率热学器件测得。因此，一般认为直接法得到的数据更直接、更具说服力。

测量电卡材料性能的理论方法很多，但一直未有成熟的测量装置问世，因此提出一种实用可靠的电卡测量装置非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种有实际操作意义的基于直接法测量电卡材料的电卡性能的测量装置，通过用温度传感器直接测量电卡材料在充放电周期内的温度变化，实现电卡性能测量，以为众多电卡领域的研究和应用技术人员提供便利。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电卡测量装置，包括放置待测材料的测量腔室、温控系统、电源以及温度传感器；所述温控系统，用于将所述测量腔室内空气及待测材料加热或制冷到预设测量温度；所述电源，用于根据控制信号为待测材料加载周期性电压，以使待测材料产生电卡热量或冷量；所述温度传感器，用于采集待测材料与测量腔室内环境换热的热量并传送至外部信号采集系统，以获取所述待测材料的电卡性能。

本发明的优点在于：提供了一种有实际操作意义的基于直接法的电卡测量装置，通过用温度传感器直接测量电卡材料在充放电周期内的温度变化，可以快速、准确地测得电卡材料在不同温度、不同电场下的电卡性能，避免了间接法测量中数值计算和模拟带来的测量误差，提高了电卡性能测量的精度和可信度，可以为众多电卡领域的研究和应用技术人员提供便利。

附图说明

图1，本发明所述的电卡测量装置一实施例所示结构示意图；

图2A-2C，本发明所述的待测材料两端电源的波形示意图。

具体实施方式

本发明提供的电卡测量装置基于直接法中第二种，即采用热学器件直接测量电卡材料的温度变化。下面结合附图对本发明提供的电卡测量装置做详细说明。

参考图1，本发明所述的电卡测量装置第一实施例所示结构示意图；所述的电卡测量装置包括放置待测材料23的测量腔室100、温控系统、电源12以及温度传感器21。所述温控系统，用于将所述测量腔室100内空气及待测材料23加热或制冷到预设测量温度。所述电源12，用于根据控制信号为待测材料23加载周期性电压，以使待测材料23产生电卡热量或冷量。所述温度传感器21，用于采集待测材料23与测量腔室100内环境换热的热量并传送至外部信号采集系统，以获取所述待测材料的电卡性能。

所述测量腔室100可将温度传感器21、待测材料23包围其中，通过吸收温控系统中升/降温设备的热量/冷量将腔室均匀加热或冷却到设定温度。所述测量腔室100的形状为圆柱体、棱柱体的其中之一，或为棱锥体、球体、椭球体中任意一种的一部分。本实施例中，所述测量腔室100为圆筒状，以提高加热或制冷的均匀性。

本实施例中，所述温控系统包括：设于测量腔室100外部的温控面板5和半导体制冷器16、与半导体制冷器16相接的导热腔28、设于导热腔28内的温度检测器25和与待测材料23相接的导热台20。其中，在所述温度检测器25检测到测量腔室100中的温度达到所述预设测量温度时，所述电源12根据控制信号为待测材料23加载周期性电压，所述温度传感器21采集待测材料23与所述导热台20换热的热量并传送至外部信号采集系统。

所述温控面板5，用于设定所需的温度作为预设测量温度；温控面板5设置在电卡测量装置的前面板4上。

所述半导体制冷器16，用于产生冷量或热量；通过调节半导体制冷器16的电流方向，可以实现制冷或加热，以将测量腔室100内空气及待测材料23制冷或加热到预设测量温度。另，根据实际需要，还可以采用冰箱、干冰、液氮等制冷降温，采用PTC加热器、电阻丝、电磁感应加热器等加热升温，或基于磁卡效应、热声效应的加热或制冷方式。

所述导热腔28，用于将冷量或热量传递到所述测量腔室100内，所述导热腔28的内表面所围成的腔体作为所述测量腔室100。

所述导热腔28的内表面以及所述导热台20采用具有导热性能的金属或无机材料制成。例如，采用高热导率的：金、银、铜、铝、铁、锡、锌及各其合金等金属的一种或多种，或采用氧化铝、氧化铍、氧化镁、氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅等无机材料的一种或多种。本实施例中，导热腔28内表面采用铜，导热腔28与半导体制冷器16接触的表面涂有导热硅脂，或者在与半导体制冷器16紧密接触的腔室100的下底板上有金属翅片，进一步的，翅片表面有风扇加强翅片间或腔室内的空气对流传热。

优选的，所述导热腔28和所述导热台20之间设有隔热台19，以防止热量或冷量直接传递给待测材料23导致待测材料23温度不均匀。所述隔热台19采用具有热绝缘性能的材料制成，例如采用泡沫塑料、气凝胶毡、真空、隔热板、保温隔热板、玻璃纤维棉板/毡、聚氨酯发泡板、离心剥离纤维棉/岩棉、微纳隔热板等中的一种或多种。

优选的，所述导热腔28的外壁覆盖有隔热层。如图1所示，本实施例中，在导热腔28的外壁的上侧壁覆盖有上隔热层29、左右两侧壁覆盖有侧隔热层13，以降低测量腔室100上侧壁与外界的换热；在导热腔28外壁的下侧壁也覆盖有下隔热层14，以降低测量腔室100下方与外界的换热。各隔热层与导热腔28之间使用紧固螺丝31紧固，以使导热腔28与半导体制冷器16紧密接触加强传热。所述隔热层采用具有热绝缘性能的材料制成，例如采用泡沫塑料、气凝胶毡、真空、隔热板、保温隔热板、玻璃纤维棉板/毡、聚氨酯发泡板、离心剥离纤维棉/岩棉、微纳隔热板等中的一种或多种。

所述温度检测器25，用于实时检测测量腔室100中的温度。本实施例中，所温度检测器25采用设于测量腔室100中的热敏电阻实时检测测量腔室100中的温度。

具体为：在前面板4的温控面板5设定所需的温度；随后半导体制冷器16开始工作，产生的冷量或热量通过与之紧密接触的导热腔28为测量腔室100里的空气和待测材料23加热或制冷；与此同时，热敏电阻实时检测测量腔室100中的温度；待达到设定温度后，使待测材料23的温度保持恒定。

所述温控系统还可以包括控温仪，用于调节升温或降温的速率、目标等。另外，待测量腔室100中的温度达到设定温度后，还可以通过控温仪调节加热或制冷的功率使待测材料23的温度保持恒定。

所述电卡测量装置进一步包括与所述半导体制冷器16相接的循环水腔室15，在所述半导体制冷器16的工作过程中，将水泵入循环水腔室15。例如，在半导体制冷器16的工作过程中，通过水泵2将水箱1中的水不断泵入循环水腔室15、

所述电源12可以采用稳压输入，也可以在接收外界模拟或数字信号经必要的放大后输入，也可以直接对电源进行操作输出所需的波形。本实施例中，所述电源12采用高压电源，所述高压电源通常包括：可编辑电压源或功率源、功率放大器、高压放大器。在本实施例中，所述高压电源为支持模拟信号输入的可编辑电源。待测材料23两端加载电压的波形可以是方波、梯形波和正弦波，如图2A-2C所示。

本实施例中，所述电卡测量装置进一步包括穿过测量腔室100的两接线柱17、18，电源12通过两接线柱17、18为待测材料23加载周期性电压，以使待测材料23充放电，进而测量待测材料23的电卡性能。

所述温度传感器21为热流量计、热电偶、红外测温仪或热敏电阻的其中之一。在本实施例中，所述温度传感器21采用热流量计。

优选的，所述电卡测量装置进一步包括待测材料固定装置，待测材料固定装置的固定方式可以是螺丝旋拧固定、弹簧固定、压板固定中的一种或者多种的组合。本实施例中，所述待测材料固定装置包括压覆在所述待测材料23上的隔热缓冲层24、压覆在所述隔热缓冲层24上的压板22、固定在测量腔室100内并连接压板22的导向杆27，套接在导向杆27上的升降螺丝26和弹簧30；通过旋转升降螺丝26，带动压板22和隔热缓冲层24向下移动固定所述待测材料23。测量前，将待测材料23上放置在热流计上，为保证测量过程中待测材料23和热流计紧密接触，向下旋转升降螺丝26，带动压板22和隔热缓冲层24逐步向下移动到合适位置，既可以将待测材料23压紧又可以防止用力过大将待测材料23压碎。其中，导向杆27为圆柱状，选用低热导率的高强度工程塑料聚甲醛(POM)固定在导热腔28的底板上；压板22选用低热导率、高强度的聚碳酸酯或聚丙烯；隔热缓冲层24选用低热导率、低强度的硅橡胶。

本发明中，所述控制信号可以由信号发生器输出，或者由软件生成控制信号后通过硬件输出。所述信号发生器支持任意函数编辑功能。所述的软件包括：Labview，Microsoft VisualStudio，Matlab等；所述的硬件包括：电脑、数据采集卡、数据采集仪、单片机等。所述外部信号采集系统，包括采集卡、采集仪及相应的采集软件，用于对所述温度传感器21检测的信号进行采集、处理、计算，根据温度传感器21采集的热量计算得到待测材料的表面热流密度，从而得出待测材料的温变，进而测量出待测材料的电卡性能；所述外部信号采集系统还可以进一步显示待测材料电卡性能测量结果。

本发明所述的控制信号通过软件Labview生成并输出到电源12，电源12根据所述控制信号通过高压信号接口6、8以及接线柱17、18为待测材料23加载周期性电压，以使待测材料23产生电卡热量或冷量。外部信号采集系统的数据采集卡11通过热流计接口9获取热流计的信号并传递到电脑(PC)上，PC经过处理后通过软件显示或保存为文档供后续使用。同时，可以由示波器10通过检测电压接口7检测待测材料23两端的电压。接口6-8及前面板4均是本发明所述电卡测量装置测量腔室以下部分，该部分的外壳3采用工程塑料制成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电卡测量装置，其特征在于，包括放置待测材料的测量腔室、温控系统、电源以及温度传感器；

所述温控系统，用于将所述测量腔室内空气及所述待测材料加热或制冷到预设测量温度；

所述电源，用于根据控制信号为所述待测材料加载周期性电压，以使所述待测材料产生电卡热量或冷量；

所述温度传感器，用于采集所述待测材料与所述测量腔室内环境换热的热量并传送至外部信号采集系统，以获取所述待测材料的电卡性能；

所述电卡测量装置进一步包括待测材料固定装置，所述待测材料固定装置包括压覆在所述待测材料上的隔热缓冲层、压覆在所述隔热缓冲层上的压板、固定在测量腔室内并连接压板的导向杆，套接在导向杆上的升降螺丝和弹簧；通过旋转升降螺丝，带动压板和隔热缓冲层向下移动固定所述待测材料。

2.根据权利要求1所述的电卡测量装置，其特征在于，所述温控系统包括：设于测量腔室外部的温控面板和半导体制冷器、与半导体制冷器相接的导热腔、设于导热腔内的温度检测器和与待测材料相接的导热台；

所述温控面板，用于设定所需的温度作为预设测量温度；

所述半导体制冷器，用于产生冷量或热量；

所述导热腔，用于将冷量或热量传递到所述测量腔室内，所述导热腔的内表面所围成的腔体作为所述测量腔室；

所述温度检测器，用于实时检测测量腔室中的温度；

在所述温度检测器检测到测量腔室中的温度达到所述预设测量温度时，所述电源根据控制信号为待测材料加载周期性电压，所述温度传感器采集待测材料与所述导热台换热的热量并传送至外部信号采集系统。

3.根据权利要求2所述的电卡测量装置，其特征在于，所述导热腔的内表面以及所述导热台采用具有导热性能的无机材料制成。

4.根据权利要求2所述的电卡测量装置，其特征在于，所述导热腔和所述导热台之间设有隔热台。

5.根据权利要求4所述的电卡测量装置，其特征在于，所述导热腔的外壁覆盖有隔热层。

6.根据权利要求5所述的电卡测量装置，其特征在于，所述隔热台和/或所述隔热层采用具有热绝缘性能的材料制成。

7.根据权利要求2所述的电卡测量装置，其特征在于，所述电卡测量装置进一步包括与所述半导体制冷器相接的循环水腔室在所述半导体制冷器的工作过程中，将水泵入循环水腔室。

8.根据权利要求1所述的电卡测量装置，其特征在于，所述温度传感器为热流量计、热电偶、红外测温仪或热敏电阻的其中之一。

9.根据权利要求1所述的电卡测量装置，其特征在于，所述电卡测量装置进一步包括穿过测量腔室的两接线柱，电源通过两接线柱为待测材料加载周期性电压。