CN109443230B - 一种基于图像处理的压电陶瓷测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对压电材料进行参数测量的系统，尤指一种利用数字成像技术对非均一压电材料进行测量的基于图像处理的压电陶瓷测量系统;所述的测量系统主要包括以下三个内容：（1）待测样品的处理；（2）构建实验体系；（3）运行软件采集图像；非均一压电材料进行测量的基于图像处理的压电陶瓷测量系统，能针对目前无法解决非均一压电材料（双层、三层、多层、有成分梯度）在电诱发下应变的精确测量，实验方法简单，直观，易于操作和实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种对压电材料进行参数测量的系统，尤指一种利用数字成像技术对非均一压电材料进行测量的基于图像处理的压电陶瓷测量系统。
背景技术
压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等, 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。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，为人们创造更美好的生活而努力，所以对于压电陶瓷属性和特性的研究是非常具有实用意义的，然而目前对压电陶瓷的参数测量通常采用的都是接触式的直接测量法， 无法做到测量非均一压电材料的应变，只能测量总应变。
发明内容
针对目前无法解决非均一压电材料（双层、三层、多层、有成分梯度）在电诱发下应变的精确测量，本发明旨在提供一种对压电材料进行参数测量的系统，尤指一种利用数字成像技术对非均一压电材料进行测量的基于图像处理的压电陶瓷测量系统。
本发明采用的技术方案是：一种基于图像处理的压电陶瓷测量系统，所述的测量系统主要包括以下三个内容：
（1）待测样品的处理：所述的待测样品为压电陶瓷，取一块压电陶瓷首先对其施加电压改变电场，然后将待测样品开槽后进行接地打磨抛光，然后在样品的顶部及底部喷涂上金属涂层；在涂层过程中，隔绝其余四个表面使之绝缘，确保只有顶部及底部具有导电电极作用。
（2）构建实验体系：所述的体系包括数据采集设备、电场输出装置和供压装置，其中实验体系包括纯电场体系与力学体系，这两种体系均采用同一控制系统。
所述的数据采集设备中控制设备连接电脑，电脑配有虚拟仪器及其他运行设备，NI输出输入设备用于执行数字模拟转换，模拟输0接口和1接口从力转电传感器和静电计接受数据到分配到各接口：模拟输入时，0接口把力转电传感器测试出的位移数据进行保存，1接口用于接收并记录静电计数据；模拟输出指这两个接口用于发送信号来控制压力输出，这些信号由虚拟仪器软件产生，然后，这些信号被输送到拉力机。
所述的电场输出装置包括保险柜、实验容器、供热系统和光学测量系统，其中保险柜用于将操作者与高压运行下的设备隔离开来；实验容器是两个特制容器，在室温下使用后材质为聚氯乙烯的特制容器，将待测样品紧靠玻璃窗，力转电传感器的感应器置于特制容器中用于控制电极和样品； 供热系统中的温控装置使得容器中油的温度控制在室温到130℃；光学测量系统包括摄像机、电镜和光源，其中电镜采用1.0到4.0倍的镜头，光源采用光纤照明器。
所述的供压装置采用高压电源。
将数据采集设备的数据采集接口标记为A，B，X，用于收集本次测试结果，A、B、X分别用于收集压力、位移、位置，将这些接口与虚拟仪器的对应接口连接，可将数据保存至电脑。
（3）运行软件采集图像：所述的软件包括图像采集软件和虚拟仪器软件，所述的图像采集软件主要用于检测陶瓷样品形变的位置；所述的虚拟仪器软件用以采集数据。
一种基于图像处理的压电陶瓷测量系统，所述的测量系统主要包括以下三个内容：
（1）待测样品的处理：所述的待测样品为无铅压电陶瓷，取一块无铅压电陶瓷首先对其施加电压改变电场，然后将待测样品开槽后进行接地打磨抛光，借用喷枪喷涂人造斑点与背景形成鲜明对比，然后在无铅压电陶瓷的顶部及底部喷涂上金属涂层；在涂层过程中，隔绝其余四个表面使之绝缘，确保只有顶部及底部具有导电电极作用。
（2）构建实验体系：所述的体系包括数据采集设备、电场输出装置和供压装置，其中实验体系包括纯电场体系与力学体系，这两种体系均采用同一控制系统。
所述的数据采集设备中控制设备连接电脑，电脑配有虚拟仪器及其他运行设备，NI输出输入设备用于执行数字模拟转换，模拟输0接口和1接口从力转电传感器和静电计接受数据到分配到各接口：模拟输入时，0接口把力转电传感器测试出的位移数据进行保存，1接口用于接收并记录静电计数据；模拟输出指这两个接口用于发送信号来控制压力输出，这些信号由虚拟仪器软件产生，然后，这些信号被输送到拉力机。
所述的电场输出装置包括保险柜、实验容器、供热系统和光学测量系统，其中保险柜用于将操作者与高压运行下的设备隔离开来；实验容器是两个特制容器，在室温下使用后材质为聚氯乙烯的特制容器，将待测样品紧靠玻璃窗，力转电传感器的感应器置于特制容器中用于控制电极和样品； 供热系统中的温控装置使得容器中油的温度控制在室温到130℃；光学测量系统包括摄像机、电镜和光源，其中电镜采用1.0到4.0倍的镜头，光源采用光纤照明器。
所述的供压装置采用高压电源。
将数据采集设备的数据采集接口标记为A，B，X，用于收集本次测试结果，A、B、X分别用于收集压力、位移、位置，将这些接口与虚拟仪器的对应接口连接，可将数据保存至电脑。
（3）运行软件采集图像：所述的软件包括图像采集软件和虚拟仪器软件，所述的图像采集软件主要用于检测陶瓷样品形变的位置；所述的虚拟仪器软件用以采集数据。
所述步骤（2）中，模拟输入时，0接口可以把力转电传感器测试出的位移数据进行保存，同时1接口被用于静电计 数据记录。
所述的静电计采用Keithley 6514 或 6517A。
所述步骤（2）中，其余设备是高压电源或拉力机。
所述步骤（3）中的数据采集由虚拟仪器2009软件中sub-Vis完成，sub-Vis编写为承担收集力转电传感器测量位移数据，包括静电计中的电位，拉力机的压力，摄像机捕获的照片，同时这些sub-Vis同样也发送一些信号给电源设置电压，给拉力机发送指令对样品施加压力，控制捕获曝光时间。
本发明的有益效果是：本发明通过具体的实验操作，证明本发明利用数字成像技术对非均一压电材料进行测量的基于图像处理的压电陶瓷测量系统，能针对目前无法解决非均一压电材料（双层、三层、多层、有成分梯度）在电诱发下应变的精确测量，实验方法简单，直观，易于操作和实现。
具体实施方式
以下通过具体操作，详细说明本发明的具体实施方式：
一种基于图像处理的压电陶瓷测量系统，所述的测量系统主要包括以下三个内容：
（1）待测样品的处理：所述的待测样品为压电陶瓷，可以采用材料型号为PQYY-0074的样品，该样品能在PI陶瓷有限公司定制，这是预先处理表面均匀分布的样品经1~4倍信号放大是数字成像处理技术中的理想材料，因此不必后续另外添加人为标记，取一块尺寸为为5*5*15mm的压电陶瓷样品，在样品上需要施加30kV电压使其电场为2 kV/mm，如果样品可以几何式缩小，就没必要使用如此高电压，以便避免电弧作用的影响，在反应容器中存有一特制夹具，适用尺寸由5*5*1.5到5*5*3.55mm，用砂纸打磨表面直至样品合金表面裸露，并使得样品接地，在接地之前，凿开一个近似于5*5*5mm的凹槽，用粗糙的砂纸打磨掉的表面陶瓷部分，最后采取合适的砂纸将陶瓷表面打磨光滑，在接地抛光之后，需要在顶部及底部喷涂上厚度为50nm金属涂层，在涂层过程中，隔绝其余四面使其绝缘，确保只有顶部及底部具有导电电极作用，其金涂层导电性可用欧姆表检测，如果采用的是无铅压电陶瓷需要在喷涂前进行表面处理，借用喷枪喷涂人造斑点，用空压机将油墨涂于样品表面，不限于黑色或白色涂料，其余颜色的也可，只要与背景形成鲜明对比即可。染料选取聚丙烯液体，能在电场下呈现绝缘效果，测试结果表明，这种染料在120℃依旧能粘附于陶瓷表面。
（2）构建实验体系：所述的体系包括数据采集设备、电场输出装置和供压装置，其中实验体系包括纯电场体系与力学体系，这两种体系均采用同一控制系统。
所述的数据采集设备中控制设备连接电脑，电脑配有虚拟仪器及其他运行设备，NI输出输入设备用于执行数字模拟转换，模拟输0接口和1接口从力转电传感器和静电计接受数据到分配到各接口：模拟输入时，0接口把力转电传感器测试出的位移数据进行保存，1接口用于接收并记录静电计数据；，模拟输入时，0接口可以把力转电传感器测试出的位移数据进行保存，同时1接口被用于静电计数据记录，静电计可以采用Keithley 6514 或6517A；模拟输出指这两个接口用于发送信号来控制压力输出，这些信号由虚拟仪器软件产生，然后，这些信号被输送到拉力机，其余设备是高压电源或拉力机。
所述的电场输出装置包括保险柜、实验容器、供热系统和光学测量系统，其中保险柜用于将操作者与高压运行下的设备隔离开来；实验容器是两个特制容器，在室温下使用后材质为聚氯乙烯的特制容器，将待测样品紧靠玻璃窗，力转电传感器的感应器置于特制容器中用于控制电极和样品； 供热系统中的温控装置使得容器中油的温度控制在室温到130℃；光学测量系统包括摄像机、电镜和光源，其中电镜采用1.0到4.0倍的镜头，光源采用光纤照明器；所述的供压装置采用高压电源；将数据采集设备的数据采集接口标记为A，B，X，用于收集本次测试结果，A、B、X分别用于收集压力、位移、位置，将这些接口与虚拟仪器的对应接口连接，可将数据保存至电脑。
（3）运行软件采集图像：所述的软件包括图像采集软件和虚拟仪器软件，所述的图像采集软件主要用于检测陶瓷样品形变的位置；所述的虚拟仪器软件用以采集数据；数据采集由虚拟仪器2009软件中sub-Vis完成，sub-Vis编写为承担收集力转电传感器测量位移数据，包括静电计中的电位，拉力机的压力，摄像机捕获的照片，同时这些sub-Vis同样也发送一些信号给电源设置电压，给拉力机发送指令对样品施加压力，控制捕获曝光时间。
电场在实验之前，力转电传感器需要预先调试，检查仪器界面与Keithley机械的连接，设置区域为自动，将摄像机进行连接，782F的指示器会随指令变为红，橙及不变的绿色，将样品放入容器中，样品应尽可能与玻璃镜头接近，有必要的话，用固定装置进行固定，倒入硅油，供热系统中的温控装置使得容器中油的温度控制在室温到130℃；在样品顶部固定力转电传感器，减弱力转电传感器使其读数为0，中和短路影响，打开软件来查看下影像质量，调整摄像机位置来获得更好效果，一旦确定好就需关闭预览窗口，在虚拟仪器种打开相应sub-VI，并输入设置，轻关上保险盒盖子并打开电源，再一次打开PixeLINK CaptureOEM，在无压力情况下拍照（空白参照），关上预览窗口，最后检查设置，运行sub-VI，等待自启，点击stop来采集数据并保存图片，并关掉电源，找到保存路径，或完成运行后，虚拟仪器会创建文件来保存测试结果，找到保存图片，与之前空白参照对比，打开处理软件Matlab并运行计算来获取位移及测试结果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种基于图像处理的压电陶瓷测量系统，其特征在于：所述的测量系统包括以下三个内容：
（1）待测样品的处理：所述的待测样品为压电陶瓷，取一块压电陶瓷首先对其施加电压改变电场，然后将待测样品开槽后进行接地打磨抛光，然后在样品的顶部及底部喷涂上金属涂层；在涂层过程中，隔绝其余四个表面使之绝缘，确保只有顶部及底部具有导电电极作用;
（2）构建实验体系：所述的体系包括数据采集设备、电场输出装置和供压装置，其中实验体系包括纯电场体系与力学体系，这两种体系均采用同一控制系统，
所述的数据采集设备中控制设备连接电脑，电脑配有虚拟仪器及其他运行设备，NI输出输入设备用于执行数字模拟转换，模拟输0接口和1接口从力转电传感器和静电计接受数据到分配到各接口：模拟输入时，0接口把力转电传感器测试出的位移数据进行保存， 1接口用于接收并记录静电计数据；模拟输出指这两个接口用于发送信号来控制压力输出，这些信号由虚拟仪器软件产生，然后，这些信号被输送到拉力机，
所述的电场输出装置包括保险柜、实验容器、供热系统和光学测量系统，其中保险柜用于将操作者与高压运行下的设备隔离开来；实验容器是两个特制容器，在室温下使用后材质为聚氯乙烯的特制容器，将待测样品紧靠玻璃窗，力转电传感器的感应器置于特制容器中用于控制电极和样品； 供热系统中的温控装置使得容器中油的温度控制在室温到130℃；光学测量系统包括摄像机、电镜和光源，其中电镜采用1.0到4.0倍的镜头，光源采用光纤照明器；
所述的供压装置采用高压电源；
将数据采集设备的数据采集接口标记为A，B，X，用于收集本次测试结果，A、B、X分别用于收集压力、位移、位置，将这些接口与虚拟仪器的对应接口连接，可将数据保存至电脑;
（3）运行软件采集图像：所述的软件包括图像采集软件和虚拟仪器软件，所述的图像采集软件用于检测陶瓷样品形变的位置；所述的虚拟仪器软件用以采集数据。
2.一种基于图像处理的压电陶瓷测量系统，其特征在于：所述的测量系统包括以下三个内容：
（1）待测样品的处理：所述的待测样品为无铅压电陶瓷，取一块无铅压电陶瓷首先对其施加电压改变电场，然后将待测样品开槽后进行接地打磨抛光，借用喷枪喷涂人造斑点与背景形成鲜明对比，然后在无铅压电陶瓷的顶部及底部喷涂上金属涂层；在涂层过程中，隔绝其余四个表面使之绝缘，确保只有顶部及底部具有导电电极作用；
（2）构建实验体系：所述的体系包括数据采集设备、电场输出装置和供压装置，其中实验体系包括纯电场体系与力学体系，这两种体系均采用同一控制系统，
所述的数据采集设备中控制设备连接电脑，电脑配有虚拟仪器及其他运行设备，NI输出输入设备用于执行数字模拟转换，模拟输0接口和1接口从力转电传感器和静电计接受数据到分配到各接口：模拟输入时，0接口把力转电传感器测试出的位移数据进行保存， 1接口用于接收并记录静电计数据；模拟输出指这两个接口用于发送信号来控制压力输出，这些信号由虚拟仪器软件产生，然后，这些信号被输送到拉力机，
所述的电场输出装置包括保险柜、实验容器、供热系统和光学测量系统，其中保险柜用于将操作者与高压运行下的设备隔离开来；实验容器是两个特制容器，在室温下使用后材质为聚氯乙烯的特制容器，将待测样品紧靠玻璃窗，力转电传感器的感应器置于特制容器中用于控制电极和样品； 供热系统中的温控装置使得容器中油的温度控制在室温到130℃；光学测量系统包括摄像机、电镜和光源，其中电镜采用1.0到4.0倍的镜头，光源采用光纤照明器；
所述的供压装置采用高压电源；
将数据采集设备的数据采集接口标记为A，B，X，用于收集本次测试结果，A、B、X分别用于收集压力、位移、位置，将这些接口与虚拟仪器的对应接口连接，可将数据保存至电脑；
（3）运行软件采集图像：所述的软件包括图像采集软件和虚拟仪器软件，所述的图像采集软件用于检测陶瓷样品形变的位置；所述的虚拟仪器软件用以采集数据。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于图像处理的压电陶瓷测量系统，其特征在于：所述的静电计采用Keithley 6514 或 6517A。
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