CN112557776A - 一种压电材料动态压电性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于仪器仪表技术领域，具体为一种压电材料动态压电性能测试系统及方法。本发明测试系统包括固定架、函数发生器、功率放大器、振动台、数据采集装置、电脑、样品台、动态力传感器、静态力传感器、垂直升降台等部件；本发明集成振动台、数据采集装置、力传感器等组件，依照测试流程，实现不同振幅及频率的力的激励下压电材料压电性能的量化分析。本发明适用于无机压电陶瓷/晶体、压电聚合物、小分子压电体、驻极体、生物压电体等各种压电材料的块体、薄膜及微纳结构。
Description
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种压电材料动态压电性能测试系统及方法。
背景技术
压电材料可实现机械能和电能之间的相互转换，在力传感器、微能量采集器、换能器、激励器等领域已有广泛应用。且各类新型高性能压电材料也不断被开发并报道，如无铅压电陶瓷、柔性压电材料、生物压电材料等。压电材料应用的基础是其具有的压电性能，因而对压电性能的精确表征分析是评判压电材料性能优劣，进而指导高性能压电材料研制的关键。目前常见的压电性能表征多是在静态或是准静态条件下获得。商品化的动态压电性能测试仪也仅局限于110Hz下压电性能的测试分析。然而，压电材料工作频段范围极广，在准静态至几百兆赫的频段范围内均有其应用场景，如频率在几赫兹的人体运动传感，频率介于几十到几千赫兹的声音传感，以及频率在兆赫兹的超声应用等。现有压电性能测试产品无法满足压电材料压电性能测试的宽频段要求，亟待开发一种简单易操作且涵盖较宽频段范围的动态压电性能测试系统及测试方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于压电材料动态压电性能测试的系统和方法。
本发明提供的动态压电性能测试系统，其结构如附图1，包括：固定架、函数发生器、功率放大器、振动台、数据采集装置、电脑、样品台、动态力传感器、静态力传感器、垂直升降台等部件；其中：
振动台紧固在刚性固定架上；函数发生器输出的电信号经由功率放大器放大后，作为驱动电压信号输入到振动台内以驱动振动台振动；振动台振动频率、振幅和振动形式由驱动电压信号的频率、幅值和波形决定。
样品台刚性固定于振动台上，以便由振动台带动样品台振动。样品台材质可为各类易于加工成型的金属(如铝、铜、不锈钢等)、陶瓷(如氧化铝陶瓷等)或聚合物(如聚四氟乙烯等)等材质。样品台与振动台的连接可为螺纹连接，或其它各种可能的刚性连接。
待测样品置于样品台上。如若样品台材质导电，为了避免样品台导电性干扰待测样品的电学测量，可在待测样品和样品台间添加绝缘的电隔离层。
垂直升降台固定在固定架上，经过校准的动态力传感器(如石英压电传感器)和静压力传感器(如电阻型力传感器)固定在升降台底部。也可选用兼有动态和静压力传感测量功能的经过校准的集成型力传感器。垂直升降台可经由手动或电控方式控制其升降，以便将静压力传感器、动态力传感器和待测样品紧压到样品台上。静压力传感器用于测量垂直升降台所施加的静态压力的大小。
静压力传感器、动态力传感器和待测样品的输出信号分别经由三个数据采集装置1、2和3监测，并由电脑读取数据并记录。
其中，由于所需测量信号种类（有电荷、电流、电压等），对应的数据采集装置的结构也不同。具体地，（1）测量电荷量，数据采集装置包括电荷放大器、静电计等设备；（2）测量电流信号，数据采集装置包括电流表、电流放大器等设备；（3）测量电压信号，数据采集装置包括示波器、数据采集卡等设备；根据所需测量信号种类的不同，选用不同的数据采集装置。
本发明中，工作频率范围由振动台性能确定。一般适用于测试0-50kHz频率范围内压电材料的压电性能。
本发明中，如果数据采集装置3为电荷放大器、静电计等设备，用来监测待测样品的电荷输出，则所测电荷值与相应数据采集装置2监测到的动态力值两者的比值，即可确定压电材料的d33压电系数。
使用本发明测试系统进行压电材料压电性能测试，具体步骤为：
（1）放置待测样品：将压电材料待测样品放置在样品台上；
（2）电路连接及电源开启：振动台经功率放大器与函数发生器连接；静压力传感器、动态力传感器和待测样品的引线分别与对应的数据采集装置连接，数据采集装置最终与电脑连接，以便数据的读取和保存；打开电脑、功率放大器、函数发生器、数据采集装置的电源，使得设备处于待机状态；
（3）静压力调节：经由手动或电控装置，使垂直升降台靠近待测样品，最终将静压力传感器、动态力传感器和待测样品压至样品台上；通过数据采集装置1实时监测静压力传感器所探测到的静压力数据；反馈调节垂直升降台的高度，直至所测得的静压力值达到预设值；
（4）动态力调节：函数发生器按照预设参数输出特定波形(如正弦、三角、方波以及其它任何可编辑波形)、特定频率和特定幅值的电压信号，经功率放大器放大后驱动振动台振动；通过数据采集装置2实时监测动态力传感器所探测到的动态力数据；调节功率放大器，最终使得动态力幅值达到预设值；
（5）压电性能测试及分析：电脑同时读取并记录数据采集装置2所获取的动态力传感器所监测到的动态力信号以及数据采集装置3所获取的待测样品的压电信号输出；经由动态力信号与待测样品压电信号的比对，获得特定频率、特定动态力幅值的压电性能；
（6）重复步骤(3)-(5)的操作，实现不同静压力、不同频率和不同动态力幅值下待测样品压电性能的测试分析。
测试完成后，关闭设备电源；调高垂直升降台，取出待测样品。
本发明提供的压电材料动态压电性能测试系统和方法，所适用的压电材料包括但不限于无机压电陶瓷/晶体、压电聚合物、小分子压电体、驻极体、生物压电体等各种压电材料的块体、薄膜及微纳结构。
附图说明
图1为动态压电性能测试系统结构示意图。
图2为采用动态压电性测试系统，测得的压电聚合物膜在100Hz激励频率下的电荷输出曲线，以及同时记录得到的动态力曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，以下结合具体实施例进一步说明本发明，但该实施例只是本发明的一部分，并不作为对本发明的限定。
实施例1，一种动态压电性能测试系统的具体构建。
静压力传感器为经过校准的薄膜型阻变式压力传感器，经由传感器本身的电路变换，电阻值以电压形式输出，对应的数据采集装置1为四通道泰克示波器，且连接至通道1；动态力传感器为经过校准的石英力传感器，探测频率范围准静态至50KHz，所承受最大力200N，其对应的数据采集装置2为电荷放大器，电荷放大器的电压输出连接至四通道泰克示波器的通道2；待测样品的电荷信号由电荷放大器监测，电荷放大器的输出接入上述四通道泰克示波器中的通道3。示波器与电脑连接，方便数据的读取和记录。所用振动台最大工作频率20kHz。函数发生器可输出正弦、方波、三角波、锯齿波等波形，输出电压信号的峰峰值20V，最高输出频率15MHz。功率放大器最大输出功率50瓦。垂直升降台采用手动控制。样品台为铝圆台，圆台直径5cm，厚度5mm，圆台与振动台之间通过螺杆固定。为了避免铝圆台导电性对待测样品测试过程的干扰，圆台上贴一层厚度50微米绝缘的聚酰亚胺膜。
实施例2
本实施例借助实施例1所构建的压电性能测试系统，测量压电聚合物P(VDF-TrFE)(偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物)薄膜在100Hz激励频率下的电荷响应输出，并通过与同时记录得到的动态力曲线数据比对，确定压电聚合物薄膜在100Hz下的d33压电系数；压电膜厚2微米，其上下表面各镀有100nm厚的铝电极。
测试流程包括：
（1）压电聚合物膜放置在贴有绝缘聚酰亚胺膜的铝样品台上；
（2）电路连接并开启相应设备的电源；
（3）经由手动控制，将垂直升降台靠近待测样品，最终将静压力传感器、动态力传感器和待测样品压至样品台上；同时观察电脑显示的数据采集装置1所显示的静压力值，上下调节垂直升降台，直至显示的静压力值达到预设值2N；
（4）函数发生器输出频率100Hz、幅值5V的正弦波信号，该信号经由功率放大器放大后施加到振动台上驱动样品台振动；调节功率放大器的输出功率，并同时观察电脑显示的数据采集装置2所显示的动态力数据，直至动态力的峰峰值达到预设值1N；
（5）压电性能测试及分析：电脑同时读取并记录数据采集装置2所获取的动态力传感器所监测到的动态力信号以及数据采集装置3所读取的待测样品的电荷信号输出；
（6）测试完成后，关闭设备电源；调高垂直升降台，取出待测样品。
所同时记录得到的压电聚合物膜电荷响应输出曲线和动态力曲线如附图2所示。两曲线频率均为100Hz，动态力峰峰值1N，对应压电膜电荷输出变化31.2pC，对应100Hz下的d33压电系数为31.2pC/N。
Claims (7)
1.一种压电材料动态压电性能测试系统，其特征在于，包括：固定架、函数发生器、功率放大器、振动台、数据采集装置、电脑、样品台、动态力传感器、静态力传感器、垂直升降台；其中：
振动台紧固在刚性固定架上；函数发生器输出的电信号经由功率放大器放大后，作为驱动电压信号输入到振动台内以驱动振动台振动；振动台振动频率、振幅和振动形式由驱动电压信号的频率、幅值和波形决定；
样品台刚性固定于振动台上，以便由振动台带动样品台振动；
待测样品置于样品台上；如若样品台材质导电，为了避免样品台导电性干扰待测样品的电学测量，可在待测样品和样品台间添加绝缘的电隔离层；
垂直升降台固定在固定架上，经过校准的动态力传感器和静压力传感器固定在升降台底部；垂直升降台可经由手动或电控方式控制其升降，以便将静压力传感器、动态力传感器和待测样品紧压到样品台上；静压力传感器用于测量垂直升降台所施加的静态压力的大小；
静压力传感器、动态力传感器和待测样品的输出信号分别经由三个数据采集装置（1、2和3）监测，并由电脑读取数据并记录。
2.根据权利要求1所述的压电材料动态压电性能测试系统，其特征在于，所述样品台材质为各类易于加工成型的金属、陶瓷或聚合物；样品台与振动台为螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的压电材料动态压电性能测试系统，其特征在于，所述静压力传感器和动态力传感器为兼有动态和静压力传感测量功能的经过校准的集成型力传感器。
4.根据权利要求1所述的压电材料动态压电性能测试系统，其特征在于，由于所需测量信号种类不同，对应的数据采集装置的结构也不同；具体地，（1）测量电荷量，数据采集装置包括电荷放大器、静电计等设备；（2）测量电流信号，数据采集装置包括电流表、电流放大器等设备；（3）测量电压信号，数据采集装置包括示波器、数据采集卡等设备；根据所需测量信号种类的不同，选用不同的数据采集装置。
5.根据权利要求1所述的压电材料动态压电性能测试系统，其特征在于，工作频率范围为0-50kHz。
6.基于权利要求1-5之一所述的系统的压电材料动态压电性能测试方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）将压电材料待测样品放置在样品台上；
（2）电路连接及电源开启：振动台经功率放大器与函数发生器连接；静压力传感器、动态力传感器和待测样品的引线分别与对应的数据采集装置连接，数据采集装置最终与电脑连接，以便数据的读取和保存；打开电脑、功率放大器、函数发生器、数据采集装置的电源，使得设备处于待机状态；
（3）静压力调节：经由手动或电控装置，使垂直升降台靠近待测样品，最终将静压力传感器、动态力传感器和待测样品压至样品台上；通过第一数据采集装置实时监测静压力传感器所探测到的静压力数据；反馈调节垂直升降台的高度，直至所测得的静压力值达到预设值；
（4）动态力调节：函数发生器按照预设参数输出特定波形、特定频率和特定幅值的电压信号，经功率放大器放大后驱动振动台振动；通过第二数据采集装置实时监测动态力传感器所探测到的动态力数据；调节功率放大器，最终使得动态力幅值达到预设值；
（5）压电性能测试及分析：电脑同时读取并记录第二数据采集装置所获取的动态力传感器所监测到的动态力信号以及第三数据采集装置所获取的待测样品的压电信号输出；经由动态力信号与待测样品压电信号的比对，获得特定频率、特定动态力幅值的压电性能；
（6）重复步骤(3)-(5)的操作，实现不同静压力、不同频率和不同动态力幅值下待测样品压电性能的测试分析。
7.根据权利要求6所述的系统动态压电性能测试方法，其特征在于，所述的压电材料包括无机压电陶瓷/晶体、压电聚合物、小分子压电体、驻极体或生物压电体，压电材料的形态为块体、薄膜或微纳结构。
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