CN216926910U - 一种薄膜压电材料的压电信号检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及压电材料参数检测领域，尤其涉及一种薄膜压电材料的压电信号检测系统，包括设置于所述压电材料两侧并处于同一施压方向的受压机构和施压机构，所述受压机构包括用于放置所述压电材料的受压板，所述施压机构包括与动力源输出端连接的施压板，所述压电材料内部由电线引出电极，所述电极与电信号采集装置的输入端电信号连接。本实用新型能够有效固定片状或膜状压电材料并使其在受压过程中呈现压缩、拉伸及弯曲等形变状态，同时动态测量材料在状态变化过程中的压电性能，整体操作稳定且简单，对外界条件要求少、测量精度高。

Description

一种薄膜压电材料的压电信号检测系统

技术领域

本实用新型涉及压电材料参数检测领域，尤其涉及一种薄膜压电材料的压电信号检测系统。

背景技术

压电材料是指能实现机械效应(压力)和电效应(电压)相互转化的材料，压电材料可以分成压电单晶体(石英)、压电多晶体(压电陶瓷)、压电高分子和压电复合材料四种；压电系数是压电材料重要的物理参数之一，它取决于不同的力学和电学边界的约束条件。而对于薄膜压电材料，压电系数d₃₃指在压电薄膜厚度方向上施加作用力后，在上下两表面产生的电荷量与所受压力的比值，其值越高就表示薄膜压电材料的能量转换效率越高。

近年来各种压电材料在传感器、换能器、驱动器等方面的应用越来越广泛，但是由于压电薄膜制造工艺过程复杂，质量层次不齐，即使采用相同配方，相同工艺的产品，也很难保证这些参数完全相同，又由于老化等不稳定因素，因此需要将每个产品来进行单独测量。

现有技术测量压电材料压电系数d₃₃的方式大多数为准静态测量，且很少针对压电高分子的压电信号及压电系数d₃₃来进行测量。例如已经成熟的商业产品：北京华测试验仪器有限公司的静压电系数 d₃₃测量仪，适用于压电陶瓷材料的测量，施加压力范围较小(0.1-0.5N)；无锡裕天科技有限公司的压电材料d₃₃测量仪，适用于测压电单晶体(石英)或压电多晶体，力幅度较小(<2.5N)；联能科技有限公司的d₃₃测量仪对样品进行测量时需要被测样品的尺寸较厚。而公开的相关文献也存在相应的缺陷，如公告号为CN2308072Y 的专利文献，其公开的准静态法纵向压电应变常数测量仪，施压设备与被测样品不能完全接触，所以也无法测出压电薄膜的实际压电性能。同时现有技术仅能够测量压电薄膜材料在常规平面受压变形过程中的压电性能，无法测量压电薄膜材料在特定程度的弯曲和拉伸形变过程中产生的电信号。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种薄膜压电材料的压电信号检测系统，能够有效固定片状或膜状压电材料并使其在受压过程中呈现压缩、拉伸及弯曲等状态，同时动态测量材料在状态变化中的压电性能，整体操作稳定且简单，对外界条件要求少、测量精度高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种薄膜压电材料的压电信号检测系统，所述系统包括设置于所述压电材料两侧并处于同一施压方向的受压机构和施压机构，所述受压机构包括用于放置所述压电材料的受压板，所述施压机构包括与动力源输出端连接的施压板，所述压电材料内部由电线引出电极，所述电极与电信号采集装置的输入端电信号连接。

片状或膜状的压电材料上下表面均为导电织物或金属镀层，再由电线引出电极，同时压电材料最外层为聚酰亚胺封装绝缘层。测量前，先将压电材料置于施压板和受压板之间，通过施压板对受压板的施压，从而对压电材料进行挤压。压电材料的电极选择性与不同的电信号采集装置连接，同时配合外界PC计算机上搭载的基于LABVIEW程序编写的数据采集与分析界面操作系统，可以有效显示压电材料在不同受压状态下的电信号。

更为具体的，薄膜压力传感器的信号输出端与PC计算机的第一串行通讯端口信号连接；电信号采集装置的输出端与PC计算机的第二串行通讯端口信号连接；动力源的控制芯片输入端与PC计算机的第三串行通讯端口信号连接。

优选的，施压板与受压板处于平行状态且两板之间可拆卸设有薄膜压力传感器，所述施压板呈垂直折弯状，施压板的水平部与动力源的输出端可拆卸连接，施压板的竖直部平行于受压板设置。

施压板与动力源的可拆卸连接，使得施压板可以相对受压板和压电材料调节自身角度，从而对压电材料的不同部位进行施压。施压板和受压板的平行设置，可以使得施压板的力能够均匀作用于压电材料上。

优选的，所述施压板竖直部的水平向长度小于水平部的同向长度。

施压板的竖直部宽度小于水平部宽度，这种结构设计有利于集中直线电机给予施压板的机械力，并将其有效作用于压电材料上，从而获得更好的电信号。

优选的，所述动力源为直线电机，直线电机设置于高度可调节的底座上。

测试时，可通过程序来控制直线电机带动施压板进行不同频率、不同行程、不同振幅的往复运动，从而可以获得不同频率和大小的力，力的数据由薄膜压力传感器感应，同时压电材料受压后产生电信号变化都在PC计算机上显示。通过对底座的高度调节，进而使得施压板相对受压板上压电材料的位置发生改变，再次实现对压电材料不同部位进行施压的效果。

优选的，所述受压机构和施压机构可拆卸设置于同一防震光学平台上。

受压机构和施压机构通过螺丝固定在防震光学平台上，可以根据施压行程以及压电材料自身尺寸来调节两者的间距，同时防震光学平台可以有效消除了机构在高频率测量下产生的振动，提高测量精度。

优选的，所述受压板呈L型结构，受压板的竖直部与施压板的竖直部平行设置，所述受压板的竖直部顶面和施压板的水平部顶面等高平齐，且所述顶面均预设有螺纹孔。

螺纹孔的设置，可以配合螺钉将压电材料两端分别固定在受压板和施压板上，从而通过直线电机带动施压板以设定频率、力度、行程等参数作朝向或远离受压板的动作，从而使得压电材料发生不同程度的弯曲或折弯动作。这就解决了现有技术无法测量压电薄膜材料在特定程度的弯曲和拉伸形变过程中产生的电信号的问题。

优选的，受压板的竖直部与水平部之间设有加强筋杆；所述受压板的水平部开设有平行施力方向的长孔，垂直穿过长孔的连接件与防震光学平台可拆卸连接。

加强筋杆可以提高受压板的结构强度，防止其竖直部在长时间受力后发生形变。受压板的水平板上开设有长孔，如此可以通过改变连接件在长孔不同位置处的压接，从而实现受压板与防震光学平台的相对位置的无级调节，进而调节受压板和施压板的间距。

优选的，所述受压板平行施压板的板面上可拆卸设有硅胶垫层。

硅胶垫层的设置能对薄膜压力传感器保护作用，同时保证水平施压板施加的力均匀的分散在被测压电薄膜上，可以对垂直受压板起一个很好地缓冲保护作用。

优选的，所述受压板采用不锈钢材料制成，所述施压板采用铝合金材料制成。

受压板为不锈钢板，可以有效增加整体重量；施压板为铝合金，其强度满足测试需求，同时因其质量较轻，可以减少其在撞压压电材料时因重量引起的系统误差。

同时利用硅胶的特性，即硅胶对不锈钢有很好的亲和力而对铝合金无任何粘性。所以可以将硅胶垫紧贴在受压板的竖直部上，再将薄膜压力传感器放置在受压板竖直部的面中心，最后再将一层硅胶片贴合上去。这种设计可以达到如下效果：1)避免薄膜压力传感器直接与金属相接触，使传感器过早的损坏，同时传感器的设置更加方便； 2)硅胶垫片可以让被测样品受压均匀，更好的产生压电信号，同时起到一个过载保护的作用；3)因为压电材料的封装外壳为聚酰亚胺，其对硅胶具有很好的亲和力，这样在测试时可以无需配设其他夹持构件即可使得压电材料牢牢地固定在受压板上，有效提高测试效率。

优选的，所述电信号采集装置为静电计、示波器或电化学工作站。

静电计采集属于超精密设备采集，可以获得被测压电薄膜的电流信号、电压信号或电阻的大小；示波器可以检测到产生的电压信号，或在长时间测量下的疲劳稳定信号；电化学工作站，对被测压电薄膜的充放电性能进行测试。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

1)整体结构简单，操作方便，能够有效提高压电材料的电信号测量效率；

2)能够有效固定片状或膜状压电材料并使其在受压过程中呈现压缩、拉伸及弯曲等状态，同时动态测量材料在状态变化中的压电性能，整体操作稳定且简单，对外界条件要求少、测量精度高，能够有效测量压电薄膜材料在特定程度的压缩、弯曲和拉伸等三种形变过程中产生的电信号，克服了现有技术只能单一测试压缩形变中的压电性能的局限性。

附图说明

图1为具体实施方式中所述薄膜压电材料信号检测系统的结构示意图；

图2为具体实施方式中受压装置与压电材料的安装结构示意图；

图3为采用实施方式所述系统对压电材料施加力为3N，不同频率条件下示波器所采集到的电压波形图；

图4为采用实施方式所述系统对压电材料施加力为3N，不同频率条件下静电计所采集到的电流波形图；

图5为采用实施方式所述系统对压电材料施加频率为5Hz，不同力条件下示波器所采集到的电压波形图；

图6为采用实施方式所述系统对压电材料施加频率为5Hz，不同力条件下静电计所采集到的电流波形图；

图7为采用实施方式所述系统将压电材料置于7500周期循环下由静电计所采集到的的电流波形图；

图8为采用实施方式所述系统对压电材料弯曲条件下由示波器所采集到的电压波形图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-2所示，一种薄膜压电材料的压电信号检测系统，所述系统包括设置于所述压电材料两侧并处于同一施压方向的受压板2和施压板3，受压板2和施压板3均呈垂直折弯且配设有加强筋杆的L 型结构，受压板2的竖直部与施压板的竖直部平行设置，受压板2的竖直部顶面和施压板3的水平部顶面等高平齐，且所述顶面均预设有螺纹孔4。

受压板2的水平部开设有平行施力方向的长孔21，垂直穿过长孔 21的螺纹连接件与防震光学平台1可拆卸连接；

施压板3竖直部的水平向长度小于水平部的同向长度，施压板3的水平部与直线电机5的输出端可拆卸连接，直线电机5设置于高度可调节的底座6上，底座设置于防震光学平台1上。

所述受压板2采用不锈钢材料制成，所述施压板3采用铝合金材料制成。受压板2的竖直部上可拆卸贴设有两层硅胶垫层7，两层硅胶垫层7顶部一体连接且之间设有薄膜压力传感器8。硅胶垫层7朝向施压板的侧面上贴设有压电材料9，所述压电材料9呈片状或膜状的独立结构，压电材料上下表面均为导电织物或金属镀层，再由电线引出电极，同时压电材料最外层为聚酰亚胺封装绝缘层。所述电极择一与静电计、示波器或电化学工作站连接。

具体的：

1)薄膜压力传感器为圆形片状，能测量厚度方向施加的压力，厚度小于0.3mm，测量量程为100N,相应时间小于1ms，正常工作范围为 (-20-60℃)，分辨率为1/100N。完全满足压电薄膜受力的范围和动态频率。薄膜压力传感器的信号输出端与PC计算机的第一串行通讯端口信号连接；

2)直线电机的控制芯片输入端与PC计算机的第三串行通讯端口信号连接，直线电机由直流电源24V端口供电；

3)示波器为国产Micsig TO1102C示波器，28M储存深度，80000wfm/s 波形捕获率，实时采样率1GSa/s，带宽100M，以满足捕获压电薄膜产生的电信号频率要求。在测试压电薄膜的稳定性时，适当的调整示波器的水平时基和直线电机的频率，可以得到不同循环次数的电压波形图；

4)静电计采集属于超精密设备采集，可以获得被测压电薄膜的电流信号、电压信号或电阻的大小；电化学工作站对被测压电薄膜的充放电性能进行测试：电压材料在受外力作用时会产生电压电流，相当于“纳米发电机”，而电化学工作站可以通过直流转换电路，将压电薄膜产生的电能对电容进行充放电，电容储能的多少可以由电化学工作站检测得到，并通过PC计算机自动绘制电压-时间图；静电计和电化学工作站的输入端与PC计算机的第二串行通讯端口信号连接。

5)PC计算机上搭载基于LABVIEW程序编写的数据采集与分析界面操作系统，可以采集薄膜的电流，电阻等信号并对所测的相关数据进行实时处理、分析。

1)测量前，安装各构件，然后通过控制直线电机先将压电材料置于施压板和受压板之间，通过施压板对受压板的施压，从而对压电材料进行挤压。压电材料的电极选择性与不同的电信号采集装置连接，同时配合外界PC计算机上搭载的基于LABVIEW程序编写的数据采集与分析界面操作系统，可以有效显示压电材料在不同受压状态下的电信号，如图3-8所示波形图。

2)测量前，无需设置硅胶垫层和薄膜压力传感器，利用螺钉将压电材料两端分别固定在受压板和施压板的顶面螺孔处，从而通过直线电机带动施压板以设定频率、力度、行程等参数作朝向或远离受压板的动作，从而使得压电材料发生不同程度的弯曲动作，同时配合外界PC计算机上搭载的基于LABVIEW程序编写的数据采集与分析界面操作系统，可以有效显示压电材料在不同弯曲状态下的电信号。

对测量产生的电压电流信号的结果做进一步处理，可以计算得出压电材料的压电系数d₃₃：

其中D表示电位移，σ表示材料平面法线方向受到的压应力，Q表示单位面积压电薄膜产生的电荷量，F表示电机施加在材料法线方向的压力。

Claims (10)

1.一种薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，所述系统包括设置于所述压电材料两侧并处于同一施压方向的受压机构和施压机构，所述受压机构包括用于放置所述压电材料的受压板，所述施压机构包括与动力源输出端连接的施压板，所述压电材料内部由电线引出电极，所述电极与电信号采集装置的输入端电信号连接。

2.如权利要求1所述的薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，施压板与受压板处于平行状态且两板之间可拆卸设有薄膜压力传感器，所述施压板呈垂直折弯状，施压板的水平部与动力源的输出端可拆卸连接，施压板的竖直部平行于受压板设置。

3.如权利要求2所述的薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，所述施压板竖直部的水平向长度小于水平部的同向长度。

4.如权利要求1所述的薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，所述动力源为直线电机，直线电机设置于高度可调节的底座上。

5.如权利要求1所述的薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，所述受压机构和施压机构可拆卸设置于同一防震光学平台上。

6.如权利要求2所述的薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，所述受压板呈L型结构，受压板的竖直部与施压板的竖直部平行设置，所述受压板的竖直部顶面和施压板的水平部顶面等高平齐，且所述顶面均预设有螺纹孔。

7.如权利要求6所述的薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，受压板的竖直部与水平部之间设有加强筋杆；所述受压板的水平部开设有平行施力方向的长孔，垂直穿过长孔的连接件与防震光学平台可拆卸连接。

8.如权利要求2所述的薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，所述受压板平行施压板的板面上可拆卸设有硅胶垫层。

9.如权利要求2所述的薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，所述受压板采用不锈钢材料制成，所述施压板采用铝合金材料制成。

10.如权利要求1所述的薄膜压电材料的压电信号检测系统，其特征在于，所述电信号采集装置为静电计、示波器或电化学工作站。

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