CN112067913A - 压电系数的测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电系数的测量系统及测量方法。上述系统包括动力单元、弹性电极、应变测试单元、电场测试单元及数据处理单元。动力单元能够带动压电薄膜做机械运动；弹性电极形成在压电薄膜的两个表面上，弹性电极包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极均为梳状，且第一电极和第二电极均具有齿状部和连接部，第一电极的齿状部和第二电极的齿状部交错平行排列；应变测试单元用于测量第一电极和第二电极之间的距离；电场测试单元与弹性电极的电连接，用于测量电场；数据处理单元能够接收应变测试单元和电场测试单元产生的数据，并处理得到压电薄膜的压电系数。上述测量系统能够测量高分子压电薄膜的d31、d32和d33值。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料领域，特别是涉及一种压电系数的测量系统及测量方法。
背景技术
压电材料是一种“机电”转化元件，它可以将一些非电学量最终转换为电学量。其中，由于形变而产生电极化的现象称为正压电效应。正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程(请参阅图1)。通过电场作用而产生机械形变的过程称为逆压电效应。逆压电效应实质上是电能转化为机械能的过程(请参阅图1)。
当压电材料受到一定外力之后，会在其表面产生电荷，由于产生的电荷正比于外力，因此可以得到电荷量与外加压力的比值，称为压电系数，用于衡量压电材料的能量转换的能力。压电系数是表达机械能转换为电能或是电能转换为机械能的转换系数，记为dij(请参阅图2)，其中i＝1,2,3，表示为电学量(电场或是电位移)方向，j＝1,2,3,4,5,6，表示力学量(应力或是应变)方向。纵向压电系数d33的正压电效应的公式为(公式一)：
横向压电系数d31的正压电效应的公式为(公式二)：
市面上对于压电薄膜的压电系数的测量主要是以d33为主，其原因是压电薄膜属于柔性高分子材料，厚度为微米级别，z轴方向的电荷量以及受力大小都相较于其它方向比较好测量。但随着对压电材料的测量要求越来越高，在测量时需要考虑各个方向上的受力对于转换的电荷量的影响，因此d31的测量对于压电薄膜在模组上影响至关重要。传统对于压电陶瓷而言，由于其硬度比较高，d31、d32值可以由一般市售d33测试仪进行测量获得，但对于PVDF压电薄膜而言并没有可以直接测得d31、d32值的仪器。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够用于测量高分子薄膜压电材料的d31、d32及d33值的压电系数的测量系统。
此外，还提供一种压电系数的测量方法。
一种压电系数的测量系统，包括：
动力单元，所述动力单元能够带动压电薄膜做机械运动；
弹性电极，所述弹性电极用于形成在所述压电薄膜的两个相对的表面上，且所述两个相对的表面上的所述弹性电极呈镜面对称设置，在其中一个表面上，所述弹性电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均为梳状，且所述第一电极和所述第二电极均具有齿状部和连接部，所述第一电极的齿状部和所述第二电极的齿状部交错平行排列；
应变测试单元，所述应变测试单元用于测量所述第一电极和所述第二电极之间的距离；
电场测试单元，所述电场测试单元与所述弹性电极的所述第一电极和所述第二电极均电连接，所述电场测试单元用于测量所述第一电极、所述第二电极及所述压电薄膜在运动时产生的电场；及
数据处理单元，所述数据处理单元能够接收所述应变测试单元产生的距离数据和所述电场测试单元产生的电场数据，并处理得到所述压电薄膜的压电系数。
在其中一个实施例中，所述弹性电极的材料包括银或铜。
在其中一个实施例中，在同一个表面上，所述第一电极和所述第二电极的齿状部的宽度相同，且相邻所述第一电极的齿状部和所述第二电极的齿状部的间距相同。
在其中一个实施例中，在其中一个表面上的所述第一电极的齿状部和在另一个表面上的所述第二电极的齿状部在所述压电薄膜上的投影重合，在其中一个表面上的所述第一电极的连接部和在另一个表面上的所述第二电极的连接部在所述压电薄膜上的投影重合。
在其中一个实施例中，所述动力单元包括动力马达和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括滑块、曲柄和连杆，所述曲柄的输入端与所述动力马达的输出端连接，所述曲柄的输出端与所述连杆转动连接，所述连杆的输出端与所述滑块连接，所述滑块与所述压电薄膜连接。
在其中一个实施例中，所述电场测试单元包括电荷放大器，所述电荷放大器的输入端与所述第一电极和所述第二电极均电连接，所述电荷放大器的输出端与所述数据处理单元连接。
在其中一个实施例中，所述电场测试单元还包括示波器，所述示波器与所述电荷放大器的输出端连接，且所述示波器还与所述数据处理单元连接。
在其中一个实施例中，所述电荷放大器的输入端与同一表面上的所述第一电极和所述第二电极电连接，或者，所述电荷放大器的输入端与其中一个表面上的所述第一电极和另一表面上的所述第二电极电连接。
一种压电系数的测量方法，包括如下步骤：
将弹性电极形成在压电薄膜的两个相对的表面上，且所述两个相对的表面上的所述弹性电极呈镜面对称设置，在其中一个表面上，所述弹性电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均为梳状，且所述第一电极和所述第二电极均具有齿状部和连接部，所述第一电极的齿状部和所述第二电极的齿状部交错平行排列；
对所述压电薄膜做机械运动；
测试所述弹性电极的所述第一电极和所述第二电极之间的距离；
测试所述弹性电极及所述压电薄膜在运动时产生的电场E；及
根据所述距离和所述电场，计算所述压电薄膜的压电系数。
在其中一个实施例中，所述根据所述距离和所述电场，计算所述压电薄膜的压电系数的步骤包括：
根据所述距离及公式S＝ΔL/L计算所述压电薄膜的应变量S，式中，L为所述第一电极和所述第二电极的初始距离，ΔL为运动后所述第一电极和所述第二电极之间的距离形变量；
测试所述弹性电极及所述压电薄膜在运动时产生的电压和电容，根据公式E＝[(ΔV/V0)×(ΔC/C0)]，计算电场E，式中，ΔV为运动后产生的电压差，V0为初始电压，ΔC为运动后产生的电容差，C0为初始电容；
根据公式
计算所述压电薄膜的压电系数。
上述压电系数的测量系统采用弹性电极能够随压电薄膜的拉伸而发生形变，且通过对弹性电极的结构进行改进，使得当压电薄膜拉伸形变时，弹性电极的第一电极和第二电极之间的距离发生变化，从而根据距离的变化量来表征压电薄膜的形变量。且由于第一电极和第二电极均为梳状，分别包括连接部和齿状部，且形成在压电薄膜的两个相对的表面上，因此，无论压电薄膜沿x轴方向、y轴方向或z轴方向发生应变，均可以通过第一电极和第二电极之间的距离来表征，如通过同一表面上，第一电极的连接部和第二电极的连接部之间的距离形变量、第一电极的齿状部和第二电极的齿状部之间的距离形变量或其中一个表面上的第一电极的齿状部和另一个表面上对应设置的第二电极的齿状部的距离形变量来表征，从而可以测试不同受力方向上的应变量，进而测试不同受力方向时的压电系数。因此，上述压电系数的测量系统能够用于测量高分子薄膜压电材料的d31、d32以及d33值。
附图说明
图1为正压电效应和逆压电效应的示意图；
图2为压电系数的表示方向；
图3为一实施方式的压电系数的测量系统的示意图；
图4为图3所示的压电系数的测量系统中，曲柄滑块机构的示意图；
图5为图3所示的压电系数的测量系统中，弹性电极和压电薄膜的立体透视图；
图6为图3所示的压电系数的测量系统中，弹性电极和压电薄膜的正视图；
图7为压电薄膜拉伸前后的示意图；
图8为利用弹性电极的结构测量d31、d32以及d33值的示意图；
图9为一实施方式的压电系数的测量方法的工艺流程图；
图10为实施例1中压电薄膜拉伸过程中的应变与时间的关系图；
图11为实施例1中压电薄膜拉伸过程中的电场与时间的关系图；
图12为实施例1中压电薄膜的压电系数d31与时间的关系图。
图中各元件的标号如下：压电薄膜的测量系统10、动力单元100、动力马达110、曲柄滑块机构120、压电薄膜200、弹性电极300、第一电极310、第一齿状部312、第一连接部314、第二电极320、第二齿状部322、第二连接部324、电场测试单元400、数据处理单元500、引线600及固定装置700。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图3，一实施方式的压电系数的测量系统10，包括：动力单元100、弹性电极300、应变测试单元(图未示)、电场测试单元400及数据处理单元500。
具体地，动力单元100能够带动压电薄膜200做机械运动。进一步地，动力单元100能够带动压电薄膜200做拉伸回复的往复运动。在其中一个实施例中，压电薄膜200为高分子压电材料，例如PVDF及其共聚物、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龙-11等。
在其中一个实施例中，动力单元100包括动力马达110和曲柄滑块机构120。动力马达110用于为曲柄滑块机构120提供动力，曲柄滑块机构120与压电薄膜200连接，曲柄滑块机构120用于带动压电薄膜200做机械运动。具体地，可以通过调整动力马达110的转速进而调整往复运动的频率。
曲柄滑块机构120是指用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构。曲柄滑块机构120中与机架构成移动副的构件为滑块，通过联动副联接曲柄和滑块的构件为连杆。连杆机构原理通过不同的设计与计算，可实现转动、直线移动、往复运动和平面或空间等的复杂函数运动轨迹，包括偏置曲柄滑块机构、转动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构等多种类型。
在本实施方式中，请参阅图4，曲柄滑块机构120包括曲柄a、连杆b和滑块c。曲柄a的输入端与动力马达的输出端连接，曲柄a的输出端与连杆b转动连接，连杆b的输出端与滑块c连接，滑块c与压电薄膜200连接。将曲柄滑块机构120设计为通过曲柄a转动来带动滑块c左右移动而进行往复运动，进而达到压电薄膜200往复拉伸回复运动。图4中，c处为滑块，a和b分别表示曲柄和连杆。具体地，曲柄滑块机构120可以为本领域常用的结构，在此不再赘述。
请参阅图5，弹性电极300形成在压电薄膜200的两个相对的表面上，且两个相对的表面上的弹性电极300呈镜面对称设置。具体地，在其中一个表面上，弹性电极300包括第一电极310和第二电极320。第一电极310和第二电极320均为梳状，且第一电极310和第二电极320均具有齿状部和连接部，第一电极310和第二电极320的齿状部交错平行排列。
具体地，在同一表面上，第一电极310的齿状部和第二电极320的齿状部交替平行排列，且第一电极310和第二电极320的齿状部的宽度相同，相邻第一电极310的齿状部和第二电极320的齿状部的间隙也相同。在不同表面上，其中一个表面上的第一电极310的齿状部和另一个表面上的第二电极320的齿状部在压电薄膜200上的投影重合，在其中一个表面上的第一电极310的连接部和在另一个表面上的第二电极320的连接部在压电薄膜200上的投影重合。将弹性电极300设置为上述结构，一方面，通过测量同一表面上的第一电极310和第二电极320之间的形变量和电场之间的关系，可以得到d31和d32值，测量不同表面上的第一电极310和第二电极320之间的形变量和电场之间的关系，可以得到d33值。另一方面，两个表面上均可以测量得到d31值和d32值，通过比较两个表面上测得的结果可以避免测量时造成的误差。
具体地，第一电极310包括多个平行且间隔设置的第一齿状部312和与多个第一齿状部312的一端电连接的第一连接部314，第二电极320包括多个平行且间隔设置的第二齿状部322和与多个第二齿状部322的一端电连接的第二连接部324，第一齿状部312和第二齿状部322交替且间隔设置，第一齿状部312远离第一连接部314的一端靠近第二连接部324，第二齿状部322远离第二连接部324的一端靠近第一连接部314。进一步地，第一连接部314与多个第一齿状部312垂直设置，多个第一齿状部312设置在第一连接部314的同一侧。因此，第一电极310为梳状电极。同样，第二连接部324与多个第二齿状部322垂直设置，多个第二齿状部322设置第二连接部324的同一侧。因此，第二电极320也为梳状电极。
请一并参阅图6，多个第一齿状部312和多个第二齿状部322交替且间隔设置，第一齿状部312远离第一连接部314的一端靠近第二连接部324，第二齿状部322远离第二连接部324的一端靠近第一连接部314。因此，第一电极310和第二电极320呈叉指状设置。
在压电薄膜200的其中一个表面上的弹性电极300和在另一个表面上的弹性电极300呈镜像对称设置。具体地，在其中一个表面上的第一齿状部312与另一个表面上的第二齿状部322在压电薄膜200上的投影重合。在其中一个表面上的第一连接部314与另一个表面上的第二连接部324在压电薄膜200上的投影重合。
进一步地，第一电极310的多个第一齿状部312均匀间隔设置。第二电极320的多个第二齿状部322均匀间隔设置。且第一齿状部312和第二齿状部322平行设置。第一连接部314和第二连接部324平行设置。
请参阅图7，压电薄膜200未发生形变前，第一电极310和第二电极320在横向之间的距离为L1，压电薄膜200的一个表面上的第一电极310和另一个表面上的第二电极320的距离，也即压电薄膜200的厚度为L3，当发生压电薄膜200被拉伸时，第一电极310和第二电极320之间的距离、压电薄膜200的厚度均发生变化，因此，可以根据第一电极310和第二电极320之间的距离的改变量来研究压电薄膜200的应变量。
具体地，请参阅图8，以第一齿状部312和第二齿状部322的延伸方向为x轴，第一连接部314和第二连接部324的延伸方向为y轴，由压电薄膜200的其中一个表面指向另一个表面的方向为z轴，将弹性电极300设置为上述形状，使得当压电薄膜200沿x轴发生形变时，可以根据第一连接部314和第二连接部324之间的距离变化量，根据公式S＝ΔL/L计算得到应变量S，从而研究d31值的变化。当压电薄膜200沿y轴发生形变时，可以根据第一齿状部312和第二齿状部322之间的距离变化量及公式S＝ΔL/L计算应变量，从而研究d32值的变化。当压电薄膜200沿z轴发生形变时，可以根据压电薄膜200其中一个表面上的第一连接部314和另一个表面上的第二连接部324的距离变化量(或者，其中一个表面上的第一齿状部312和另一个表面上的第二齿状部322的距离形变量)及公式计算应变量，从而研究d33值的变化。因此，将弹性电极300设置为上述结构，能够使得本实施方式的压电系数的测量系统10可以测量压电薄膜200的d31、d32及d33值，测量方便。
具体地，弹性电极300的材料为银或铜。可以理解，弹性电极的材料还可以为其他具有弹性的金属材料。在其中一个实施例中，弹性电极300为市售的NAMICS的弹性银漆电极。将电极设置为弹性电极300，弹性应力的应变量要大于压电薄膜200的应变量，避免在拉伸时造成电极断裂而造成讯号回馈时的错误或是延迟，影响压电系数的测量。
应变测试单元用于测量第一电极310和第二电极320之间的距离。具体地，压电测试单元能够实时监测第一电极310和第二电极320之间的距离，以根据距离变化得到应变量的变化情况。进一步地，应变测试单元能够测量压电薄膜200的同一表面上的第一齿状部312和第二齿状部322之间的距离，第一连接部314和第二连接部324之间的距离以及一个表面上的第一连接部314和另一个表面上的第二连接部324之间的距离。在其中一个实施例中，通过曲柄滑块机构120的拉伸量长度可以得到第一电极310和第二电极320之间的距离，进而得到压电薄膜200的形变量，此时曲柄滑块机构120可以作为应变测试单元，而无需额外设置应变测试单元。可以理解，当动力单元100不包括曲柄滑块机构120时，应变测试单元还可以为其他结构。
电场测试单元400与弹性电极300的第一电极310和第二电极320均电连接。电场测试单元400用于测量第一电极310、第二电极320和压电薄膜200在运动时的电场。具体地，电场测试单元400包括电荷放大器，电荷放大器的输入端与第一电极310和第二电极320均电连接，且电荷放大器的输出端与数据处理单元500连接。进一步地，电荷放大器的输入端与同一表面上的第一电极310和第二电极320电连接，或者，电荷放大器的输入端与其中一个表面上的第一电极310和另一表面上的第二电极320电连接。
在其中一个实施例中，电场测试单元400还包括示波器，示波器与电荷放大器的输出端连接，且电荷放大器与数据处理单元500连接。示波器能够将肉眼看不到的电信号变换为看得见的图像，便于研究各种电现象的变化过程。
数据处理单元500能够接收应变测试单元产生的距离数据和电场测试单元400产生的电场数据，并处理得到压电薄膜200的压电系数。
具体地，根据应变测试单元产生的距离数据及公式S＝ΔL/L计算应变量，式中，S为应变，L为第一电极310和第二电极320的初始距离，ΔL为拉伸后第一电极310和第二电极320之间的距离形变量。
根据电场测试单元400产生的电压和电容数据及公式E＝[(ΔV/V0)×(ΔC/C0)]，计算电场E，式中，ΔV为拉伸后产生的压差，V0为初始电压，ΔC为拉伸后产生的电容差，C0为初始电容。
根据应变S、电场E及公式
计算压电薄膜200的压电系数。
在其中一个实施例中，数据处理单元500包括计算机。
进一步地，上述压电系数的测量系统10还包括引线600和固定装置700。弹性电极300的第一电极310和第二电极320分别通过引线600与电场测试单元400电连接。固定装置700与压电薄膜200远离动力单元100的一端连接，用于固定压电薄膜200的一端。
具体地，采用上述压电系数的测量系统10测试压电系数的原理如下：
由于弹性电极300形成在压电薄膜200上，随着压电薄膜200的拉伸而拉伸，因此，可以通过压电薄膜200拉伸时，弹性电极300的第一电极310和第二电极320之间的距离的变化量来计算应变量。具体地，应变S＝ΔL/L，其中：L为第一电极310和第二电极320的初始距离；ΔL为拉伸后第一电极310和第二电极320之间的距离变形量。第一电极310、第二电极320及压电薄膜200形成一电容CPVDF(电容率＝8.4@1MHz)。透过第一电极310和第二电极320产生的压电信号差ΔV与第一电极310或电极及压电薄膜200形成的电容差ΔC，可以准确计算压电薄膜200的电场E。电场E＝[(ΔV/V0)×(ΔC/C0)]/ΔP，其中，V0为初始压电扫描电压；ΔV为压电信号产生之压差(V-V0)，ΔC为电容型变后信号产生之电容差(C-C0)，ΔP为压力误差。在本实施方式中，压力误差会因动力单元与压电薄膜的不同而不同，动力单元的压力误差由动力单元的规格提供，压电薄膜的压力误差会因材料本身的弹性系数不同而有差异。在实际中，压电薄膜的压力误差会由压电薄膜的生产厂商做拉伸验证得到材料的弹性系数与压力误差，并标示于压电薄膜的产品技术说明书(TDS)中。在实验过程中，动力单元的压力误差和压电薄膜误差趋近于零，所以在实际应用时ΔP取1，可以不考虑压力误差带来的影响。因此，电场E的计算公式可以简化为E＝[(ΔV/V0)×(ΔC/C0)]。因此，可以通过纵向、横向及对向应变与电场利用公式一和公式二计算d31、d32和d33的压电系数，以研究压电薄膜200的压电特性。
通过上述对电极结构的改进，使得本实施方式的压电系数的测量系统10可以同时测量微米级别的压电薄膜200的d31、d32和d33值。压电薄膜200可以为PVDF等常用的高分子薄膜。在其中一个实施例中，压电薄膜200的形状为方形，例如长方形或正方形。
上述压电系数的测量系统10在测量压电系数的同时，还可以根据应力的改变观察压电薄膜200电阻值的变化，以研究压电特性的同时研究压电薄膜200的导电性。
具体地，在本实施方式中，上述压电系数的测量系统10的工作过程如下：上述测量系统10是以静态拉伸法作为基础，通过对弹性电极300的结构进行设计改进，使得待测物压电薄膜200的拉伸时，可以通过弹性电极300的第一电极310和第二电极320之间的距离变化量来准确计算压电薄膜200的形变量，然后弹性电极300和压电薄膜200之间产生的电信号通过引线600回传给电场测试单元400，经过电荷放大器和存储示波器得到电荷密度，并利用数据处理单元500计算电场与拉伸的应变量的比值可得到压电薄膜200的压电系数，具体可根据前面的公式一和公式二进行计算。
上述压电系数的测量系统10至少具有以下优点：
(1)上述压电系数的测量系统10通过对弹性电极300的结构进行改进，使得当压电薄膜200拉伸形变时，弹性电极300的第一电极310和第二电极320之间的距离发生变化，从而根据距离的变化量来表征压电薄膜200的形变量。且由于第一电极310和第二电极320分别包括连接部和齿状部，且形成在压电薄膜200的两个相对的表面上，因此，无论压电薄膜200沿x轴方向、y轴方向或z轴方向发生应变，均可以通过第一电极310和第二电极320之间的距离来表征，如通过第一连接部314和第二连接部324之间的距离形变量、第一齿状部312和第二齿状部322之间的距离形变量或其中一个表面上的第一连接部314和另一个表面上的第二连接部324的距离形变量来表征，从而可以测试不同受力方向上的应变量，进而测试不同受力方向时的压电系数。因此，上述压电系数的测量系统10能够用于测量高分子薄膜压电材料的d31、d32以及d33值。
(2)上述压电系数的测量系统10结构简单、方便易实施。
(3)上述压电系数的测量系统10还可以同时获得压电特性与导电性测量。
请参阅图9，本发明还提供一实施方式的压电系数的测量方法，包括如下步骤：
步骤S110：将弹性电极形成在压电薄膜的两个相对的表面上。
具体地，两个相对的表面上的弹性电极呈镜面对称设置，在其中一个表面上，弹性电极包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极均为梳状，且第一电极和第二电极均具有齿状部，第一电极的齿状部和第二电极的齿状部交错平行排列。
具体地，在同一表面上，第一电极的齿状部和第二电极的齿状部交替平行排列，且第一电极和第二电极的齿状部的宽度相同，相邻第一电极的齿状部和第二电极的齿状部的间隙也相同。在不同表面上，其中一个表面上的第一电极的齿状部和另一个表面上的第二电极的齿状部在表面上的投影重合。将弹性电极设置为上述结构，一方面，通过测量同一表面上的第一电极和第二电极之间的形变量和电场之间的关系，可以得到d31和d32值，测量不同表面上的第一电极和第二电极之间的形变量和电场之间的关系，可以得到d33值。另一方面，两个表面上均可以测量得到d31值和d32值，通过比较两个表面上测得的结果可以避免测量时造成的误差。
具体地。第一电极包括多个平行且间隔设置的第一齿状部和与多个第一齿状部的一端电连接的第一连接条，第二电极包括多个平行且间隔设置的第二齿状部和与多个第二齿状部的一端电连接的第二连接条，第一齿状部和第二齿状部交替且间隔设置，第一齿状部远离第一连接条的一端靠近第二连接条，第二齿状部远离第二连接条的一端靠近第一连接条。
具体地，将弹性电极形成在压电薄膜上的方式可以为本领域常用的方式，例如通过丝网印刷的方式形成在压电薄膜上，在此不再赘述。
以第一齿状部和第二齿状部的延伸方向为x轴，第一连接部和第二连接部的延伸方向为y轴，由压电薄膜的其中一个表面指向另一个表面的方向为z轴，将弹性电极设置为上述形状，使得当压电薄膜沿x轴发生形变时，可以根据第一连接部和第二连接部之间的距离变化量，根据公式S＝ΔL/L计算得到应变量S，从而研究d31值的变化。当压电薄膜沿y轴发生形变时，可以根据第一齿状部和第二齿状部之间的距离变化量及公式S＝ΔL/L计算应变量，从而研究d32值的变化。当压电薄膜沿z轴发生形变时，可以根据压电薄膜其中一个表面上的第一连接部和另一个表面上的第二连接部的距离变化量及公式计算应变量，从而研究d33值的变化。因此，将弹性电极设置为上述结构，能够使得本实施方式的压电系数的测量方法可以测量压电薄膜的d31、d32及d33值，测量方便。
步骤S120：对压电薄膜做机械运动。
具体地，对压电薄膜做拉伸回复的往复运动。在其中一个实施例中，利用曲柄滑块机构和动力马达带动压电薄膜做拉伸回复的往复运动。曲柄滑块机构与压电薄膜连接，动力马达用于为曲柄滑块机构提供动力，曲柄滑块机构用于带动压电薄膜做拉伸收缩的往复运动。具体地，可以通过调整动力马达的转速进而调整往复运动的频率。可以理解，在其他实施例中，对压电薄膜做机械运动的过程中，不限于利用曲柄滑块机构和动力马达，还可以为本领域常用的其他机构，在此不再赘述。
步骤S130：测试弹性电极的第一电极和第二电极之间的距离。
步骤S140：测试弹性电极及压电薄膜在运动时产生的电场。
步骤S150：根据距离和电场，计算压电薄膜的压电系数。
具体地，步骤S150包括：
根据距离及公式S＝ΔL/L计算应变量，式中，S为应变，L为第一电极和第二电极的初始距离，ΔL为运动后第一电极和第二电极之间的距离形变量；
测试弹性电极及压电薄膜在运动时产生电压和电容，根据公式E＝[(ΔV/V0)×(ΔC/C0)]，计算电场E，式中，ΔV为运动后产生的电压差，V0为初始电压，ΔC为运动后产生的电容差，C0为初始电容；
根据公式
计算压电薄膜的压电系数。
具体地，采用示波器和电荷测试装置分别测试电压和电容，以得到电场数据。
具体地，当测量d31值时，步骤S130中，测量同一表面上的第一电极的连接部和第二电极的连接部之间的距离，步骤S140中，测量同一表面上的第一电极和第二电极形成的电容；测量d32值时，步骤S130中，测量同一表面上的第一电极的齿状部和第二电极的齿状部之间的距离，步骤S140中，测量同一表面上的第一电极和第二电极形成的电容；测量d33值时，步骤S130中，测量其中一个表面上的第一电极的连接部和另一个表面上的第二电极的连接部之间的距离(或者，其中一个表面上的第一电极的齿状部和另一个表面上对应位置处的第二电极的齿状部之间的距离)，步骤S140中，测量其中一个表面上的第一电极和另一个表面上的第二电极形成的电容。
需要说明的是，在实际过程中，上述步骤S120、步骤S130和步骤S140同时进行。
上述压电系数的测量方法在测量压电系数的同时，还可以根据应力的改变观察压电薄膜电阻值的变化，以研究压电特性的同时研究压电薄膜的导电性。
上述压电系数的测量方法至少具有以下优点：
(1)上述压电系数的测量方法能够测量高分子压电薄膜的d31、d32及d33值。
(2)上述压电系数的测量方法步骤简单，可操作性强。
(3)上述弹性电极的设计使得该方法可以同时获得压电特性与导电性测量。
以下为具体实施例部分：
实施例1
测试条件样品尺寸(长×宽×厚度)为10cm×2cm×40μm的压电薄膜PVDF在曲柄滑块机构和动力马达的作用下进行拉伸与回复的往返运动，2s为一个循环。根据弹性电极在横向上的距离形变量计算得到应变数据，如下表1所示。以时间为横坐标，应变为纵坐标，根据表1中的数据作图，得到如图10所示的应变与时间的关系图。根据弹性电极得到压差与电容差的实验数据，经过电荷放大器与示波器转换得到电场数据，如下表2所示。以时间为横坐标，电场为纵坐标，根据表2中数据作图，得到如图11所示的电场与时间的关系图。再根据公式计算压电薄膜的d31值，得到如下表3所示。以时间为横坐标，d31值为纵坐标，根据表3中的数据作图，得到如图12所示的压电系数d31与时间的关系图。
表1压电薄膜拉伸过程中的应变与时间关系表
表2压电薄膜拉伸过程中的电场与时间的关系表
| 时间/s | 0.00 | 0.10 | 0.20 | 0.30 | 0.40 | 0.50 | 0.60 | 0.70 | 0.80 | 0.90 | 1.00 |
| 电场/E | 0.0001 | 0.000199 | 0.00022 | 0.00026 | 0.0003 | 0.00032 | 0.00035 | 0.00037 | 0.00039 | 0.00042 | 0.00045 |
| 时间/s | 1.10 | 1.20 | 1.30 | 1.40 | 1.50 | 1.60 | 1.70 | 1.80 | 1.90 | 2.00 | |
| 电场/E | 0.00042 | 0.00039 | 0.00037 | 0.00035 | 0.00032 | 0.0003 | 0.00026 | 0.00022 | 0.0002 | 0.0001 | |
| 时间/s | 2.10 | 2.20 | 2.30 | 2.40 | 2.50 | 2.60 | 2.70 | 2.80 | 2.90 | 3.00 | |
| 电场/E | 0.000199 | 0.00022 | 0.00026 | 0.0003 | 0.00032 | 0.00035 | 0.00037 | 0.00039 | 0.00042 | 0.00045 | |
| 时间/s | 3.10 | 3.20 | 3.30 | 3.40 | 3.50 | 3.60 | 3.70 | 3.80 | 3.90 | 4.00 | |
| 电场/E | 0.00042 | 0.00039 | 0.00037 | 0.00035 | 0.00032 | 0.0003 | 0.00026 | 0.00022 | 0.0002 | 0.0001 | |
| 时间/s | 4.10 | 4.20 | 4.30 | 4.40 | 4.50 | 4.60 | 4.70 | 4.80 | 4.90 | 5.00 | |
| 电场/E | 0.000199 | 0.00022 | 0.00026 | 0.0003 | 0.00032 | 0.00035 | 0.00037 | 0.00039 | 0.00042 | 0.00045 | |
| 时间/s | 5.10 | 5.20 | 5.30 | 5.40 | 5.50 | 5.60 | 5.70 | 5.80 | 5.90 | 6.00 | |
| 电场/E | 0.00042 | 0.00039 | 0.00037 | 0.00035 | 0.00032 | 0.0003 | 0.00026 | 0.00022 | 0.0002 | 0.0001 |
表3压电薄膜的压电系数d31与时间的关系表
从表3中可以看出，此次量测的d31值通过监控每0.1秒拉升一次循环压电系数的最大值，藉由公式二计算当在测试时1秒为最大拉升应变，此时PVDF薄膜d31为最大值22.22。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种压电系数的测量系统，其特征在于，包括：
动力单元，所述动力单元能够带动压电薄膜做机械运动；
弹性电极，所述弹性电极用于形成在所述压电薄膜的两个相对的表面上，且所述两个相对的表面上的所述弹性电极呈镜面对称设置，在其中一个表面上，所述弹性电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均为梳状，且所述第一电极和所述第二电极均具有齿状部和连接部，所述第一电极的齿状部和所述第二电极的齿状部交错平行排列；
应变测试单元，所述应变测试单元用于测量所述第一电极和所述第二电极之间的距离；
电场测试单元，所述电场测试单元与所述弹性电极的所述第一电极和所述第二电极均电连接，所述电场测试单元用于测量所述第一电极、所述第二电极及所述压电薄膜在运动时产生的电场；及
数据处理单元，所述数据处理单元能够接收所述应变测试单元产生的距离数据和所述电场测试单元产生的电场数据，并处理得到所述压电薄膜的压电系数。
2.根据权利要求1所述的压电系数的测量系统，其特征在于，所述弹性电极的材料包括银或铜。
3.根据权利要求1所述的压电系数的测量系统，其特征在于，在同一个表面上，所述第一电极和所述第二电极的齿状部的宽度相同，且相邻所述第一电极的齿状部和所述第二电极的齿状部的间距相同。
4.根据权利要求1所述的压电系数的测量系统，其特征在于，在其中一个表面上的所述第一电极的齿状部和在另一个表面上的所述第二电极的齿状部在所述压电薄膜上的投影重合，在其中一个表面上的所述第一电极的连接部和在另一个表面上的所述第二电极的连接部在所述压电薄膜上的投影重合。
5.根据权利要求1～4任一项所述的压电系数的测量系统，其特征在于，所述动力单元包括动力马达和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括滑块、曲柄和连杆，所述曲柄的输入端与所述动力马达的输出端连接，所述曲柄的输出端与所述连杆转动连接，所述连杆的输出端与所述滑块连接，所述滑块与所述压电薄膜连接。
6.根据权利要求1～4任一项所述的压电系数的测量系统，其特征在于，所述电场测试单元包括电荷放大器，所述电荷放大器的输入端与所述第一电极和所述第二电极均电连接，所述电荷放大器的输出端与所述数据处理单元连接。
7.根据权利要求6所述的压电系数的测量系统，其特征在于，所述电场测试单元还包括示波器，所述示波器与所述电荷放大器的输出端连接，且所述示波器还与所述数据处理单元连接。
8.根据权利要求6所述的压电系数的测量系统，其特征在于，所述电荷放大器的输入端与同一表面上的所述第一电极和所述第二电极电连接，或者，所述电荷放大器的输入端与其中一个表面上的所述第一电极和另一表面上的所述第二电极电连接。
9.一种压电系数的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
将弹性电极形成在压电薄膜的两个相对的表面上，且所述两个相对的表面上的所述弹性电极呈镜面对称设置，在其中一个表面上，所述弹性电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均为梳状，且所述第一电极和所述第二电极均具有齿状部和连接部，所述第一电极的齿状部和所述第二电极的齿状部交错平行排列；
对所述压电薄膜做机械运动；
测试所述弹性电极的所述第一电极和所述第二电极之间的距离；
测试所述弹性电极及所述压电薄膜在运动时产生的电场E；及
根据所述距离和所述电场，计算所述压电薄膜的压电系数。
10.根据权利要求9所述的压电系数的测量方法，其特征在于，所述根据所述距离和所述电场，计算所述压电薄膜的压电系数的步骤包括：
根据所述距离及公式S＝ΔL/L计算所述压电薄膜的应变量S，式中，L为所述第一电极和所述第二电极的初始距离，ΔL为运动后所述第一电极和所述第二电极之间的距离形变量；
测试所述弹性电极及所述压电薄膜在运动时产生的电压和电容，根据公式E＝[(ΔV/V0)×(ΔC/C0)]，计算电场E，式中，ΔV为运动后产生的电压差，V0为初始电压，ΔC为运动后产生的电容差，C0为初始电容；
根据公式
计算所述压电薄膜的压电系数。
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