CN113325242A - 适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统及方法，该温控激振系统包括压电式加速度传感组件、温度控制箱、激振单元、信号采集单元以及数据处理器。本发明通过将待测压电陶瓷与配重质量块一起组装成待测压电式加速度传感器(原型器件)，与标准压电式加速度传感器一起置于高温箱中感受激振器给予的振动，根据传感器的电荷灵敏度来反算待测压电陶瓷的d33；再通过改变振动频率、振动加速度幅值和环境温度值即可得到样品在不同频率、不同载荷及不同温度下的d33。本发明有效弥补了一般电测法只能测量压电陶瓷在室温/110Hz/0.25N三个固定条件下d33的不足，并且还可实时观测压电陶瓷随时间进程输出的电荷响应曲线，有助于研究分析材料的动态压电响应特性。
Description
技术领域
本发明属于电学性能测试技术领域，涉及用于压电陶瓷材料的电学性能测试，尤其涉及适用于在不同温度、频率和载荷下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统及其测量方法。
背景技术
压电陶瓷能够实现电能和机械能的相互转换，可以制作成传感器、驱动器、变压器、换能器等各类电子器件，广泛应用于航空航天、通讯电子、汽车工业等装备制造领域，是现代化工业体系中一种重要的电子功能材料。近年来，随着无线传感器网络的发展，高温环境中的传感器能量自供给问题日益成为发动机、内燃机、核反应堆等重大装备重要部位自检测、传感与通讯亟需解决的技术问题，并且装备的高功率输出还迫使其运转不断向着高频率、高载荷方向发展，因此迫切需要在高温、高频、高载荷环境下仍然能够保持压电性能稳定的压电材料。
压电系数是表征压电材料在压力下产生极化强弱(电压大小)的常数，它也反映了压电材料弹性(机械)性能与介电性能之间的耦合关系。其中纵向压电应变系数(d33)是表征压电材料压电性能最常用的重要参数之一，下标中的第一个数字指的是电场方向，第二个数字指的是应力或应变的方向，“33”表示极化方向与测量时的施力方向相同。
d33一般基于电测法原理使用准静态压电系数测试仪来测试，其计算公式为：d33＝Q/F，Q(单位：pC)为压电材料在动态应力F(单位：N)作用下产生的电荷量。但该方法存在一定的不足：首先是此方法受仪器设计限制只能测试固定频率(一般为110Hz)和固定载荷(一般为0.25N)下的d33；其次，通用型准静态压电系数测试仪夹持样品的夹头既承担着施加应力载荷的功能，还承担着传递电荷信号的功能。由于内部含有电气元件，无法耐受高温，从而无法测量样品在不同温度下的d33(即变温d33或者d33的温度跟随性)。因此，工程界只得采取将样品置于一定温度下退火、恢复到室温后再测量的“非原位”的办法来间接测量其变温d33。最后，准静态压电系数测试仪的测量原理是通过并联一个大电容来采集压电陶瓷在一定测量时间内的平均输出电荷量(在仪器面板上显示d33的测量值)，但无法实时观测压电陶瓷随时间进程输出的电荷响应曲线。
发明内容
针对目前基于电测法原理使用通用型准静态压电系数测试仪测试纵向压电应变系数(d33)的不足，本发明的目的之一在于提供一种适用于压电陶瓷d33的原位测量、并可实时观察其电荷响应曲线的温控激振系统，本发明的第二个目的是提供利用上述温控激振系统测量样品在不同温度、频率和载荷下的d33，弥补一般电测法的不足。
本发明提供的适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，包括压电式加速度传感组件、温度控制箱、激振单元、信号采集单元以及数据处理器；
所述压电式加速度传感组件包括由配重质量块和待测压电陶瓷组成的待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器；配重质量块、待测压电陶瓷和标准压电式加速度传感器同轴顺次叠置；
所述温度控制箱为压电式加速度传感组件提供测试环境温度；所述温度控制箱主体为箱式结构，压电式加速度传感组件安放于温度控制箱内；
所述激振单元用于向压电式加速度传感组件施加周期性振动作用力；所述激振单元包括信号发生器及与之连接的激振器；所述激振器动作端通过穿入温度控制箱的金属杆与标准压电式加速度传感器固连；
所述信号采集单元用于采集压电式加速度传感组件传输的电荷信号及标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度信号，并发送给数据处理器；所述信号采集单元包括电荷适调器和与之连接的信号采集仪；从待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器引出的用于传输电荷的导线以及从标准压电式加速度传感器引出的信号传输线穿出温度控制箱并接入电荷适调器；
所述数据处理器与信号采集单元连接，用于依据采集的待测压电式加速度传感器输出的电荷信号以及标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度信号，得到待测压电陶瓷的纵向压电应变电荷系数d33。
本发明的理论原理为：如图1所示，压电式加速度传感器由配重质量块、压电陶瓷以及基座组成，从力学角度可以看成是一个由质量—弹簧—阻尼组成的二阶系统。其电荷灵敏度(S)可以表达为：
故
式中，Q为传感器输出的电荷量(pC)，m为配重质量块的质量(kg)，a为激振器给予振动的加速度幅值(g，在上述公式中：1g＝9.8N/kg)。本发明在给定环境温度条件下，通过将待测压电陶瓷(一般选用圆片形状)与配重质量块一起组装成待测压电式加速度传感器(原型器件)，与标准压电式加速度传感器粘接在一起置于温度控制箱中感受激振器给予的振动，通过测量传感器的输出电荷量，基于其灵敏度的计算公式可推算出待测压电陶瓷的d33；通过改变环境温度，便可得到待测压电陶瓷d33随温度的实时变化。
上述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，利用中心压缩式结构原理将待测压电陶瓷制作成加速度传感器原型器件，并将其巧妙地安装于标准压电式加速度传感器的顶端，两者一起置于温度控制箱中可以感受同样的振动。本发明中，选用耐高温的压电式加速度传感器作为标准传感器来采集激振器给予的振动信号。一般情况下，这一类传感器为圆柱形，底端中心具有M5的安装螺孔，侧端输出电荷，工作温度：-55～500℃。因此，在优选的实现方式中，配重质量块、待测压电陶瓷和标准压电式加速度传感器三者在垂直于轴向(金属杆)的截面形状及大小需一致(如都采用圆形结构，则配重质量块和待测压电陶瓷的截面直径与标准压电式加速度传感器的截面直径相一致)。一般待测压电陶瓷沿轴向(极化方向)的厚度为0.2～2mm，配重质量块的质量为20～50g。
上述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，为了保持良好的导电性，配重质量块、待测压电陶瓷与标准压电式加速度传感器之间通过导电胶固定连接。导电胶优选为耐高温的银粉导电胶。
上述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，所述温度控制箱作用主要是提供不同的高温测试环境，优选为带有温控器的高温箱。温度控制箱的温度范围为室温～500℃。温度控制箱放置于支撑台架上，以便于固定和操作。由于支撑台架的主要作用是用于放置高温箱，因此对其形状结构并不特殊限制，本领域技术人员可以根据常规方式对支撑台架进行相应设计。
上述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，激振单元的信号发生器的作用主要是输出正弦函数等周期性信号以使激振器产生不同量值的周期性振动。信号发生器优选为内置功放的扫频信号发生器，以实现对激振器的驱动。激振器的动作端与金属杆一端固连，金属杆另一端穿过温度控制箱底部并伸入箱体内腔中与标准压电式加速度传感器底部固连。本发明中，利用金属杆作为连接机构搭建起一体化的温控激振系统。金属杆材质优选为钛合金，其尺寸优选为直径
为了便于测试操作，金属杆与标准压电式加速度传感器优选为可拆卸连接，例如通过螺纹、锁扣等连接方式。本发明中金属杆与标准压电式加速度传感器通过螺纹连接，标准压电式加速度传感器底部开设内螺纹孔，金属杆相应连接端设置匹配的外螺纹。
上述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，为避免高温环境对电信号处理的影响，在温度控制箱箱外面设置电荷适调器。由于需要同时采集传感器的电荷信号和传感器反馈的加速度信号，因此在优选的实现方式中，电荷适配器为双通道电荷适调器。
上述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，为了实现对待测压电陶瓷整个电极面上的输出电荷的有效采集，本发明中从待测压电式加速度传感器引出的用于传输电荷的导线的引出点位于配重质量块端面；从标准压电式加速度传感器引出的用于传输电荷的导线的引出点位于金属杆与标准压电式加速度传感器连接处。
上述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，数据处理器用于接收信号，并对信号进行数据分析，可以采用具有数据处理功能的常规数据处理装置；在优先实现方式中，数据处理器带有显示功能，能够实时显示待测压电加速度传感器输出的电荷响应曲线和标准压电加速度传感器采集到的系统振动加速度值。本发明中以计算机作为数据处理器。
本发明提供的一种压电陶瓷变温、变频、变载荷d33的原位实时测量方法，利用前述温控激振系统按照以下步骤进行测量：
(1)设定温度控制箱的测试温度；
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值；
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值(即待测压电式加速度传感器输出的电荷量，pC)，m为配重质量块的质量(Kg)，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值，可表示为g的倍数，g＝9.8N/kg。
上述步骤(1)中，给定的测试温度范围为室温～500℃。
上述步骤(2)中，周期信号指给定频率(通常范围为0.1Hz～1000 0Hz)的正弦函数信号。启动信号发生器后，采用正弦定频模式，设定好测试频率，逐步增大电压幅值使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，待其反馈得到的加速度幅值达到预期给定值后(0.1g～20g)，停止调节电压幅值。这里对信号发生器向激振器输出周期信号的幅值没有要求，只要能够得到满足要求的振动加速度幅值即可。根据F＝ma，由振动加速度幅值便可确定出加载在压电陶瓷上的载荷。当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线的波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(即波峰与波谷之间的差值)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
本发明提供的适用于在不同条件下原位测量压电陶瓷d33的温控激振系统及测量方法，其创新点在于：
(一)利用中心压缩式结构原理将待测压电陶瓷制作成加速度传感器原型器件，并将其巧妙地安装于标准传感器的顶端，使其轴向保持一致，两者共同置于温度控制箱中可以感受同样温度、同样频率和同样幅值的振动；
(二)利用金属杆作为连接机构搭建了一套温控激振系统，选用耐高温的压电式加速度传感器作为标准传感器来采集激振器给予的振动信号，并在温度控制箱外面设置电荷适调器避免了高温环境对电信号处理单元的影响；
(三)在数据处理器实时采集到的待测传感器电荷响应曲线上找到其峰峰值以及标准传感器反馈得到的振动加速度幅值，最后基于加速度传感器的测量原理反算出待测压电陶瓷的d33。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明可以通过调整信号发生器的函数波形来改变激振器的振动频率和加速度幅值，以测量压电陶瓷在不同频率和不同载荷(F＝ma)作用下的d33，弥补了通用型准静态d33测量仪只能测试110Hz定频和0.25N定力下d33的不足，测量范围更宽。
(2)本发明通过温度控制箱可以设定不同的测试温度，从而可实时测量压电陶瓷在不同温度下的d33来评估材料压电性能的温度稳定性，弥补了现有基于电测法使用通用型准静态压电系数测量仪只能测试常温下d33的不足，测量参数更多。
(3)本发明可以实时观察待测压电式加速度传感器的电荷响应曲线，以判别其幅频特性和线性度等动态响应性能的好坏，弥补了通用型准静态压电系数测量仪只能测量材料性能而无法观察响应过程的不足，测量功能更全。
(4)本发明中由于配重质量块是压在待测陶瓷片整个电极面上，由此产生的电荷是整个电极面上的电荷，因而测量的是待测压电陶瓷片在其整个电极面上的平均d33，弥补了通用型准静态d33测量仪只能测量压电陶瓷片一个点的d33的不足，测量数据更加精确。
附图说明
图1为压电式加速度传感器的理论模型，其中(a)为物理模型，(b)为力学模型；
图2为本发明适用于压电陶瓷d33测量的温控激振系统结构示意图，图中的黑点表示导线接入点，其他未做标识的两个部件之间的线条代表信号传输线；
图3为实施例2中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图4为实施例3中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图5为实施例4中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图6为实施例5中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图7为实施例6中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图8为实施例7中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图9为实施例8中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图10为实施例9中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图11为实施例10中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图12为实施例11中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图13为实施例12中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图14为实施例13中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图15为实施例14中待测压电式加速度传感器电荷响应曲线和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值；
图16为实施例2-6在不同频率(f)下测得PZT-NC压电陶瓷的d33趋势变化图；
图17为实施例4、实施例7-10在不同载荷(F)下测得PZT-NC压电陶瓷的d33趋势变化图；
图18为实施例4、实施例11-14在不同温度(T)下测得PZT-NC压电陶瓷的d33趋势变化图。
附图标记说明：1、压电式加速度传感组件；1-1、配重质量块；1-2待测压电陶瓷；1-3、标准压电式加速度传感器；2-温度控制箱；3-激振单元；3-1、信号发生器；3-2、激振器；3-3、金属杆；4-信号采集单元；4-1、电荷适调器；4-2、信号采集仪；5-数据处理器；6、支撑台架。
具体实施方式
以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。
以下实施例中，均采用成都大学智能传感材料与器件实验室研制的Nb/Ce共掺杂Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(简称PZT-NC)压电陶瓷(具体制备方法可参见：Chen Y,Zhou H,Wang S,et al.Diffused phase transition,ionic conduction mechanisms and electric-field dependent ferroelectricity of Nb/Ce co-doped Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 ceramics[J].Journal of Alloys and Compounds,2020,854:155500.)作为待测样品，样品尺寸为：直径
居里温度(TC)为314℃，用ZJ-6A通用型准静态压电系数测试仪(生产单位：中科院声学所)测得其d33＝443pC/N(测试条件：20℃/110Hz/0.25N)。
实施例1
本实施例中，适用于压电陶瓷d33测量的温控激振系统如图2所示，包括压电式加速度传感组件1、温度控制箱2、激振单元3、信号采集单元4以及数据处理器5。压电式加速度传感组件1由待测压电陶瓷片和标准压电式加速度传感器制作，设置于温度控制箱2内；激振单元3用于向压电式加速度传感组件施加周期性振动载荷；信号采集单元4用于采集压电式加速度传感组件传输的信号、并发送给数据处理器5；数据处理器5与信号采集单元4连接，用于依据采集的信号进行数据分析得到待测压电陶瓷的纵向压电应变系数d33。
如图2所示，在本实施例中，压电式加速度传感组件1包括由配重质量块1-1和待测压电陶瓷1-2组成的待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器1-3。配重质量块1-1为圆柱形，采用质量为42.84g的高比重钨合金。标准压电式加速度传感器1-3采用高温压电式加速度传感器，电荷灵敏度为10pC/g，顶端为
的圆平面，底端具有安装螺孔，侧端输出电荷信号，工作温度为-55～500℃。
温度控制箱2采用的是带有温控器的高温箱。温度控制箱2主体为箱式结构，底部开设一个
的通孔I，侧面开设一个
的通孔II。温度控制箱2的温度控制范围为室温～500℃。该温度控制箱2放置于支撑台架6上。
激振单元3包括信号发生器3-1及与之连接的激振器3-2。信号发生器3-1内置60W功放，频率范围为0.1～10000Hz。激振器3-2的最大激振力为50N，加速度幅值范围：1～10g，1g＝9.8N/kg。激振器动作端固连有金属杆3-3。金属杆3-3采用钛合金长杆，一端端带外螺纹，尺寸为直径
信号采集单元4包括电荷适调器4-1和与之连接的信号采集仪4-2。电荷适调器4-1为双通道电荷适调器。
数据处理器采用的是安装有DHDAS V6.0测试软件的计算机。DHDAS V6.0测试软件为本领域常规使用的信号测试分析系统软件，显然，也可以采用其它常规软件安装于计算机上进行信号测试分析。
上述适用于压电陶瓷d33测量的温控激振系统组装方式如下：配重质量块1-1、待测压电陶瓷1-2和标准压电式加速度传感器1-3同轴顺次叠置；在标准压电式加速度传感器1-3的顶端用耐高温银粉导电胶粘接待测压电陶瓷1-2，待测压电陶瓷1-2的上表面则用耐高温银粉导电胶与配重质量块1-1粘接在一起，并在配重质量块1-1顶面焊接一根导线I，完成压电式加速度传感组件的组装，并将其放入温度控制箱2内。信号发生器3-1与激振器3-2连接，激振器的动作端与金属杆3-3一端固连，金属杆3-3另一端依次穿过支撑台架6和温度控制箱底部通孔I并伸入箱体内腔中，通过去端部设置的外螺纹与标准压电式加速度传感器底部固定连接，并在螺纹连接处接上导线II。导线I和导线II均为铜导线。导线I、导线II以及标准压电式加速度传感器信号输出端引出的信号传输线一起从温度控制箱侧面的通孔II穿出并接入电荷适调器4-1。电荷适调器4-1与信号采集仪4-2对应端口连接。信号采集仪与计算机通信连接。
系统安装好后，可打开DHDAS V6.0测试软件进行系统连接和自检，设定记录仪1采集待测压电式加速度传感器的输出信号(电荷量，单位pC)，记录仪2采集标准压电式加速度传感器1-3反馈的振动加速度输出信号(加速度值，单位g)。待所有部件状态正常后进入软件测试界面并进行通道信号平衡清零。
实施例2
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为20℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为40Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为5g±5％时停止调大电压。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图3所示，从图中可以读取峰峰值Q为886.533pC，加速度幅值a为5.05g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝886.533pC、a＝5.05×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为418pC/N。
实施例3
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为20℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为80Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为5g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图4所示，从图中可以读取峰峰值Q为873.558pC，加速度幅值a为5.006g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝873.558pC、a＝5.006×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为416pC/N。
实施例4
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为20℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为160Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为5g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图5所示，从图中可以读取峰峰值Q为922.243pC，加速度幅值a为5.015g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝922.243pC、a＝5.015×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为438pC/N。
实施例5
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为20℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为320Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为5g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图6所示，从图中可以读取峰峰值Q为751.222pC，加速度幅值a为5.003g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝751.222pC、a＝5.003×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为358pC/N。
实施例6
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为20℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为640Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为5g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图7所示，从图中可以读取峰峰值Q为947.652pC，加速度幅值a为5.034g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝947.652pC、a＝5.034×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为448pC/N。
实施例7
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为20℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为160Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为1g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图8所示，从图中可以读取峰峰值Q为220.858pC，加速度幅值a为1.043g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝220.858pC、a＝1.043×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为504pC/N。
实施例8
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为20℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为160Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为3g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图9所示，从图中可以读取峰峰值Q为567.877pC，加速度幅值a为3.010g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝567.877pC、a＝3.010×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为449pC/N。
实施例9
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为20℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为160Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为7g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图10所示，从图中可以读取峰峰值Q为1267.717pC，加速度幅值a为7.006g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将入Q＝1267.717pC、a＝7.006×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为431pC/N。
实施例10
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为20℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为160Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为10g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图11所示，从图中可以读取峰峰值Q为1770.110pC，加速度幅值a为10.013g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝1770.110pC、a＝10.013×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为421pC/N。
实施例11
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为100℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为160Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器传感器的加速度值为5g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图12所示，从图中可以读取峰峰值Q为918.235pC，加速度幅值a为5.013g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝918.235pC、a＝5.013×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为436pC/N。
实施例12
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为150℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为160Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器的加速度值为5g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图13所示，从图中可以读取峰峰值Q为834.254pC，加速度幅值a为5.009g。
(4)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝834.254pC、a＝5.009×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为397pC/N。
实施例13
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为200℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为160Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器传感器的加速度值为5g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图14所示，从图中可以读取峰峰值Q为771.138pC，加速度幅值a为5.007g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝771.138pC、a＝5.007×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为367pC/N。
实施例14
本实施例使用实施例1提供的温控激振系统测量待测压电陶瓷d33的步骤如下：
(1)设定温度控制箱的测试温度为250℃。
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值。
本实施例中，待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出频率为160Hz的正弦函数信号，并逐步调大电压使激振器振动起来，直至监测到标准压电传感器传感器的加速度值为5g±5％时停止电压调节。
当待测压电式加速度传感器输出的电荷响应曲线与标准压电式加速度传感器输出的振动加速度曲线波形稳定、频率一致后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。本实施例中，通过计算机观察待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器输出曲线的波形，待波形稳定、频率一致过后，读取待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值Q(p-p)和标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值a。
测试结果如图15所示，从图中可以读取峰峰值Q为670.478pC，加速度幅值a为5.003g。
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷圆片的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
将Q＝670.478pC、a＝5.003×9.8N/kg、m＝0.04284kg代入上式，计算出待测压电陶瓷的d33为319pC/N。
图16为实施例2-6在不同频率(f)下测得PZT-NC压电陶瓷的d33趋势变化图，从图16中可以看出：待测样品的d33随测试频率的增加整体上呈增大的趋势，在高于200Hz后开始波动。
图17是实施例4、实施例7-10在不同载荷(F)下测得PZT-NC压电陶瓷的d33趋势变化图，从图17中可以看出：待测样品的d33随测试载荷的增加整体上呈减小的趋势，但在载荷高于1N后逐渐稳定。与ZJ-6A通用型准静态压电系数测试仪测得的d33＝443pC/N(测试条件：20℃/110Hz/0.25N)相比，利用本发明提供的温控激振系统在20℃/160Hz/2.11N的条件下测得的d33(438pC/N)与其非常接近，说明了本系统用于压电陶瓷d33测试的准确性。
图18为实施例4、实施例11-14在不同温度(T)下测得PZT-NC压电陶瓷的d33趋势变化图，从图18中可以看出：待测样品的d33随测试温度的增加呈明显下降的趋势，特别是在温度高于100℃以后，下降幅度增大。这一现象从压电材料的物理本质上理解可知：高温促使压电材料固有偶极子的振动弱化，材料发生热退极化效应，压电性能逐渐衰减(可参见：王春雷,李吉超,赵明磊.压电铁电物理[M].科学出版社,2009.)。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，其特征在于包括压电式加速度传感组件(1)、温度控制箱(2)、激振单元(3)、信号采集单元(4)以及数据处理器(5)；
所述压电式加速度传感组件(1)包括由配重质量块(1-1)和待测压电陶瓷(1-2)组成的待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器(1-3)；配重质量块(1-1)、待测压电陶瓷(1-2)和标准压电式加速度传感器同轴顺次叠置；
所述温度控制箱(2)为压电式加速度传感组件提供测试环境温度；所述温度控制箱主体为箱式结构，压电式加速度传感组件安放于温度控制箱内；
所述激振单元(3)用于向压电式加速度传感组件施加周期性振动作用力；所述激振单元(3)包括信号发生器(3-1)及与之连接的激振器(3-2)；所述激振器(3-2)动作端通过穿入温度控制箱(2)的金属杆(3-3)与标准压电式加速度传感器固连；
所述信号采集单元(4)用于采集压电式加速度传感组件传输的电荷信号及标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度信号，并发送给数据处理器(5)；所述信号采集单元(4)包括电荷适调器(4-1)和与之连接的信号采集仪(4-2)；从待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器(1-3)引出的用于传输电荷的导线以及从标准压电式加速度传感器(1-3)引出的信号传输线穿出温度控制箱(2)并接入电荷适调器(4-1)；
所述数据处理器(5)与信号采集单元(4)连接，用于依据采集的待测压电式加速度传感器输出的电荷信号以及标准压电式加速度传感器(1-3)反馈的振动加速度信号，得到待测压电陶瓷(1-2)的纵向压电应变电荷系数d33。
2.根据权利要求1所述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，其特征在于所述配重质量块(1-1)、待测压电陶瓷(1-2)与标准压电式加速度传感器(1-3)之间通过导电胶固定连接。
3.根据权利要求1或2所述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，其特征在于所述配重质量块(1-1)、待测压电陶瓷(1-2)与标准压电式加速度传感器(1-3)三者在垂直于振动轴向的截面形状和大小一致。
4.根据权利要求3所述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，其特征在于所述待测压电陶瓷(1-2)的厚度为0.2～2mm。
5.根据权利要求3所述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，其特征在于所述配重质量块(1-1)的质量为20～50g。
6.根据权利要求1所述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，其特征在于所述温度控制箱(2)的温控范围为室温～500℃。
7.根据权利要求1或6所述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，其特征在于所述温度控制箱(2)放置于支撑台架(6)上。
8.根据权利要求1所述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，其特征在于所述金属杆(3-3)材质为钛合金。
9.根据权利要求1所述适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的温控激振系统，其特征在于从待测压电式加速度传感器引出的用于传输电荷的导线引出点位于配重质量块端面；从标准压电式加速度传感器(1-3)引出的用于传输电荷的导线引出点位于金属杆(3-3)与标准压电式加速度传感器(1-3)连接处。
10.一种适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33的方法，其特征在于利用权利要求1-9任一所述的温控激振系统按照以下步骤进行测量：
(1)设定温度控制箱的测试温度；
(2)待温度达到预设值过后，启动信号发生器向激振器输出周期信号，使激振器向标准压电式加速度传感器施加周期性振动载荷，直至其反馈的振动加速度幅值a达到预期值；
(3)按照以下公式，计算得到该测试温度下待测压电陶瓷的d33：
式中，Q为待测压电式加速度传感器电荷响应曲线的峰峰值(即待测压电式加速度传感器输出的电荷量)，m为配重质量块的质量，a为标准压电式加速度传感器反馈的振动加速度幅值。
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