CN108981577A - 一种压电陶瓷压电微位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷压电微位移测量方法，方法包括如下步骤：1)采用静态大倍率显微成像装置，将压电陶瓷静止放置在镜头下方；2)通过静态大倍率显微成像装置采集压电陶瓷的初始状态、升压状态和降压状态下的图像信息；3)通过初始状态下图像分别与升压状态图像和降压状态图像进行对比，测量其位移距离，通过将升压状态位移与降压状态位移相减得出压电陶瓷迟滞效应位移量。采用本方法能够快捷方便的进行测量，极大的节约了测量成本，提高了测量效率，并且可以直观的验证或展示压电陶瓷迟滞特性效果。

Description

一种压电陶瓷压电微位移测量方法

技术领域

本发明涉及一种往复运动微位移精密测量的方法，特别涉及一种压电陶瓷压电微位移测量方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能相互转化的信息功能材料，被广泛的应用于精密测量、医疗器械、精密控制、微制动等领域。压电陶瓷晶体结构能够短时间储存电能，充放电过程存在着迟滞特性。

目前压电陶瓷由于其制备工艺及成分比例差异所产生的最大行程不同，但其位移量均属于微小尺度，甚至纳米级尺度的变化，而对不同压电陶瓷的压电位移测量是评价压电陶瓷性能的重要手段之一。目前能够实现纳米级精度测量的设备手段较少，主要有激光干涉仪、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、激光共聚焦显微镜等。但压电陶瓷压电位移测量需要在较高电压接通工况下进行，并且随着电压变化而变化。此外，大部分压电陶瓷产品尺寸较小，测量设备安装困难。传统的测量方式无法满足微小结构压电陶瓷块的纳米级精度测量。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺陷，本发明的主要目的在于克服现有技术的不足之处，公开了一种压电陶瓷压电微位移测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)采用静态大倍率显微成像装置，将压电陶瓷静止放置在镜头下方；

2)通过所述静态大倍率显微成像装置采集压电陶瓷的初始状态、升压状态和降压状态下的图像信息；

3)通过初始状态下图像分别与升压状态图像和降压状态图像进行对比，测量其位移距离，通过将升压状态位移与降压状态位移相减得出压电陶瓷迟滞效应位移量。

进一步地，定义标准图像为压电陶瓷为未通电时的图像，定义升压图像为压电陶瓷加压至设定电压时的图像，定义降压图像为压电陶瓷升压后再降压至所述设定电压时的图像；对压电陶瓷进行n等分标记，定义x_i为压电陶瓷等分标记在标准图像中的位置，定义x′_i为压电陶瓷等分标记在升压图像中的位置，定义x″_i为压电陶瓷等分标记在升压图像中的位置；所述压电陶瓷迟滞效应位移量满足关系式：

其中ΔX_c表示压电陶瓷迟滞效应位移量，ΔX_UI表示设定电压下对应压电陶瓷升压的微位移，ΔX_UO表示设定电压下对应压电陶瓷降压的微位移，k表示静态大倍率显微成像装置对压电陶瓷的放大倍率。

进一步地，所述静态大倍率显微成像装置为高清静态成像设备。

进一步地，所述高清静态成像设备为激光共聚焦显微镜。

本发明取得的有益效果：

采用静态大倍率显微成像装置，通过二次位移差方式实现微小装置纳米级微位移宏观展示和测量。测量设备简单，测量状态稳定，有效的解决了目前通用高精度测量设备无法在微小压电陶瓷块上安装定位的问题，同时避免了压电陶瓷高压工况下对测量设备产生的干扰和操作时危险性大的问题。为高精密测量，尤其是压电陶瓷压电微位移测量提供了一种便捷的、理想的测量方法，极大的节约了测量成本，提高了测量效率，并且可以直观的验证或展示压电陶瓷迟滞特性效果。

附图说明

图1为标记点在各状态下的位置对照示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

定义标准图像为压电陶瓷为未通电时的图像，定义升压图像为压电陶瓷加压至设定电压时的图像，定义降压图像为压电陶瓷升压后再降压至所述设定电压时的图像。

本发明的一种压电陶瓷压电微位移测量方法，其中，方法包括如下步骤：

1)采用静态大倍率显微成像装置，静态大倍率显微成像装置为高清静态成像装置，其可以是激光共聚焦显微镜，将压电陶瓷静止放置在镜头下方；

2)通过所述静态大倍率显微成像装置采集压电陶瓷的初始状态、升压状态和降压状态下的图像信息；

3)通过初始状态下图像分别与升压状态图像和降压状态图像进行对比，测量其位移距离，通过将升压状态位移与降压状态位移相减得出压电陶瓷迟滞效应位移量。

具体的，将压电陶瓷截取一段，在所截取压电陶瓷等分为n份并标记，通过大倍率显微镜成像装置进行未通电前标记点位置读取；通电后由于压电特性，压电陶瓷块产生微位移变化，此时再次读取通电后不同电压下的标记点位置，并通过对比通电前后两次标记点位置在成像装置上的位移变化得出设定电压U与ΔX压电位移之间的关系；同理，当电压开始降低的时候，压电陶瓷放电，标记点位移再次变化，则可以读取放电状态下不同电压值对应的压电陶瓷位移变化；对同一电压值时的压电陶瓷升压与降压标记点位移差即压电陶瓷的迟滞特性作用效果。

在一具体实施例中，如图1所示，对压电陶瓷截取一端长为s，并进行n等分标记，定义标记点为x_i，(i＝1，2，...，n，i∈N^*)，其中，设定放大倍率为k，通过静态大倍率显微成像装置对压电陶瓷上的标记点进行读取成像，生成标准图像；而后对压电陶瓷进行加压，升高至设定电压U时，各点标记发生位移变化，定义对应变化后的标记点分别为x＇_i，(i＝1，2，...，n，i∈N^*)，通过静态大倍率显微成像装置生成升压图像，通过对升压图像与标准图像进行对比，可知各标记点位置为Δx_Ii＝x′_i-x_i，(i＝1，2，...，n，i∈N^*)；为了更加准确的测量所选压电陶瓷块的压电位移，将n个标记点位移量取平均值(令)作为当前电压下的压电位移测量值，即：

通过前后两次标记点对比得出位移测量值后再除以放大倍率k，则升压状态下，电压U对应压电陶瓷微位移(ΔX_UI)为：

根据相同原理，当电压降低时，压电陶瓷产生回程位移，但由于压电陶瓷其晶体结构特性导致回程位移存在着的迟滞现象；在上述升压过程中，电压值达最大时开始降压，记录各标记点位置变化，分别为为x″_i，其中i＝1，2，...，n，i∈N^*；通过静态大倍率显微成像装置生成降压图像，该标记点x″_i的位置与未通电前的位置进行对比，得出位移量Δx_Oi＝x″_i-x_i，(i＝1，2，...，n，i∈N^*)，将n个标记点位移量取平均值，(令其为)，作为降压状态下的压电位移测量值，即：

通过前后两次标记点对比得出位移测量值后再除以放大倍率k，则降压状态下，电压U对应压电陶瓷微位移(ΔX_UO)为：

此外，通过升压和降压同一设定电压U的状态下标记点位移变化，即该压电陶瓷的迟滞效应，通过两次位移差量化表示迟滞效应，即：

其中，ΔX_c表示压电陶瓷迟滞效应位移量。

本发明取得的有益效果：

采用静态大倍率显微成像装置，通过二次位移差方式实现微小装置纳米级微位移宏观展示和测量。测量设备简单，测量状态稳定，有效的解决了目前通用高精度测量设备无法在微小压电陶瓷块上安装定位的问题，同时避免了压电陶瓷高压工况下对测量设备产生的干扰和操作时危险性大的问题。为高精密测量，尤其是压电陶瓷压电微位移测量提供了一种便捷的、理想的测量方法，极大的节约了测量成本，提高了测量效率，并且可以直观的验证或展示压电陶瓷迟滞特性效果。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (4)

1.一种压电陶瓷压电微位移测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)采用静态大倍率显微成像装置，将压电陶瓷静止放置在镜头下方；

2)通过所述静态大倍率显微成像装置采集压电陶瓷的初始状态、升压状态和降压状态下的图像信息；

3)通过初始状态下图像分别与升压状态图像和降压状态图像进行对比，测量其位移距离，通过将升压状态位移与降压状态位移相减得出压电陶瓷迟滞效应位移量。

2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷压电微位移测量方法，其特征在于，定义标准图像为压电陶瓷为未通电时的图像，定义升压图像为压电陶瓷加压至设定电压时的图像，定义降压图像为压电陶瓷升压后再降压至所述设定电压时的图像；对压电陶瓷进行n等分标记，定义x_i为压电陶瓷等分标记在标准图像中的位置，定义x′_i为压电陶瓷等分标记在升压图像中的位置，定义x″_i为压电陶瓷等分标记在升压图像中的位置；所述压电陶瓷迟滞效应位移量满足关系式：

其中ΔX_c表示压电陶瓷迟滞效应位移量，ΔX_UI表示设定电压下对应压电陶瓷升压的微位移，ΔX_UO表示设定电压下对应压电陶瓷降压的微位移，k表示静态大倍率显微成像装置对压电陶瓷的放大倍率。

3.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷压电微位移测量方法，其特征在于，所述静态大倍率显微成像装置为高清静态成像设备。

4.根据权利要求3所述的一种压电陶瓷压电微位移测量方法，其特征在于，所述高清静态成像设备为激光共聚焦显微镜。