CN2890940Y - 准静态法d31测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压电材料横向压电应变常数(简称d₃₁压电常数)的测量系统，该方法采用准静态法(区别于以往的动态法和静态法)测量d₃₁压电常数，通过对被测试样施加一低频交变作用力和测量被测试样由于正压电效应所产生出的低频交变电压而获得被测试样的d₃₁压电常数，该系统主要由施力装置和电路装置两部分组成，施力装置通过专用的加力附件对被测试样提供测量所需作用力，电路装置一方面提供施力装置产生低频交变作用力所需的电驱动信号，另一方面将被测试样在低频交变作用力下由于正压电效应所产生出的低频交变电压信号进行放大和处理，最后将得到的被测试样d₃₁压电常数进行显示输出，测量操作简单、快捷，测量结果准确可靠。

Description

准静态法d31测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种压电材料压电常数的测量方法，特别是涉及压电材料横向压电应变常数(简称d₃₁压电常数)的一种准静态法d₃₁测量系统。

技术背景

压电常数是表征压电材料压电性能的重要参数，主要包括有纵向压电应变常数d₃₃(测量方法可参考本申请人在99年2月6日被授权的专利“准静态法纵向压电应变常数测量仪，专利号为：ZL97231420.2)，横向压电应变常数d₃₁，切向压电应变常数d₁₅以及等静压压电常数d_h等。对于横向压电应变常数d₃₁的测量，以往采用动态法和静态法进行，动态法测量横向压电应变常数d₃₁，是通过测量被测试样的谐振和反谐振频率后经过计算而得到，是目前国际上公认的测量精度较高的一种d₃₁压电常数测量方法，但动态法测试过程烦琐，测量中要求满足一定的边界条件和屏蔽要求，局限性大，只能测量满足特定形状、规格和尺寸要求的标准试样(例如：薄长条或薄圆片)，实用性差。静态法测量d₃₁压电常数，是利用压电材料所具有的正压电效应通过对被测试样施加一单方向作用力后测量其压电电压值来得到d₃₁值，但在测量中为保证测量灵敏度所施加的静态作用力较大，由于压电材料所具有的非线性和热释电漂移现象，导致了测量误差大和重复性差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决以往动态法测量压电材料d₃₁压电常数测试过程烦琐，实用性差的缺陷，以及解决静态法测量d₃₁压电常数误差大和重复性差的问题，从而提供一种适于对各种形状的压电材料都可以测量的、简单实用的、且能满足测量精确度要求的d₃₁压电常数准静态测量系统。

根据d₃₁压电常数定义：

$d_{31}={\left(\frac{D_3}{T_1}\right)}^E={\left(\frac{S_1}{E_3}\right)}^T---\left(1\right)$

此处，D₃，E₃分别为电位移及电场强度，T₁，S₁为与极化方向相垂直的应力和应变，当对被测试样提供的作用力是一个低频正弦波交变力，其频率远低于该试样的固有谐振频率时，试样中的应力和应变基本上是分布均匀的，因而被看作是准静态，式(1)可化简为：

$d_{31}=\frac{Q/B}{F/A}=\frac{\mathrm{QA}}{\mathrm{FB}}=\frac{\mathrm{CVA}}{\mathrm{FB}}---\left(2\right)$

这里，A为施加应力的面积，B为产生电荷Q的面积，F为所施加的低频交变力，C为与样品并联的大电容，以满足测量d₃₁时的恒定电场边界条件，其C值由样品的尺寸决定；V为由于压电效应而在大电容C两端所产生出的压电电压。

本实用新型的目的是这样实现的，根据d₃₁压电常数的定义，采用通过对被测试样直接施加低频交变力和测量被测试样由于正压电效应而产生出的低频压电电压的准静态方法而得到被测试样的d₃₁压电常数，为使测量简单可行而引入内部比较样品，以内部比较样品的纵向压电常数d₃₃值作为基准，采用比较法而获得被测试样的d₃₁压电常数。

对于内部比较样品，根据d₃₃压电常数定义：

$d_{33}={\left(\frac{D_3}{T_3}\right)}^E={\left(\frac{S_3}{E_3}\right)}^T---\left(3\right)$

此处，D₃，E₃分别为电位移及电场强度，T₃，S₃为与极化方向一致的应力和应变，同理在准静态测量条件下，式(3)可简化为：

$d_{33}=\frac{Q/A}{F/A}=\frac{Q}{F}=\frac{\mathrm{CV}}{F}---\left(4\right)$

此处，A为施加应力和产生电荷Q的面积(由于应力和应变与极化方向一致)，F为所施加的低频交变力，C为与被测样品并联的大电容，同样为了提供一个满足测量d₃₃时的恒定电场边界条件，其C值由样品的尺寸决定；V为由于压电效应而在大电容C两端所产生出的压电电压。

本实用新型的工作原理为：对于被测试样，设所受到的作用力为F₁，受力面积为A，极化电极的面积为B，被测试样两端所并联的大电容为C₁，由于压电效应在电极面B上产生的压电电荷为Q₁，通过并联大电容C₁上产生的压电电压为V₁，根据式(2)的d₃₁压电常数定义可得：

$d_{31}=\frac{Q_1/B}{F_1/A}=\frac{Q_{1}A}{F_{1}B}=\frac{C_1{V}_{1}A}{F_{1}B}---\left(5\right)$

对于内部比较样品，设所受到的作用力为F₂，受力面积和极化电极的面积均为A(由于样品的受力方向与自身极化方向相同)，两端所并联的大电容为C₂，由于压电效应在电极面A上产生的压电电荷为Q₂，在所并联大电容C₂上产生的压电电压为V₂，根据式(4)的d₃₃压电常数定义可得：

$d_{33}=\frac{Q_2/A}{F_2/A}=\frac{Q_2}{F_2}=\frac{C_2{V}_2}{F_2}---\left(6\right)$

由于被测试样与内部比较样品两端分别并联的电容相同，即：C₁＝C₂；又因为被测试样与内部比较样品在力学上串联，两者受力相同，则：F₁＝F₂；被测试样的d₃₁压电常数与内部比较样品的d₃₃压电常数之比见以下公式：

$\frac{d_{31}}{d_{33}}=\frac{\frac{C_1{V}_{1}A}{F_{1}B}}{\frac{C_2{V}_2}{F_2}}=\frac{V_{1}A}{V_{2}B}=\frac{A}{B}\frac{V_1}{V_2}---\left(7\right)$

由于内部比较样品被作为测量的基准，其d₃₃压电常数值为已知，又因为被测试样的受力面积A和产生电荷的面积B能够用卡尺直接测出，因此只需测得被测试样与内部比较样品两端并联电容上的压电电压值V₁和V₂就可得到被测试样的d₃₁压电常数，见下式：

$d_{31}=d_{33}\frac{A}{B}\frac{V_1}{V_2}---\left(8\right)$

本实用新型提供的准静态法d₃₁测量系统(见图2)，由施力装置和电路装置两部分组成，其中施力装置包含有：电磁驱动器、专用加力附件(见图3)和内部比较样品。

所述的电磁驱动器由磁钢33、轭铁芯36、外轭铁34、轭铁底座35、线圈32、活塞31和定心支片30构成，其中外轭铁34固定在轭铁底座35上，线圈32的上端与活塞31的下端相连，由定心支片30固定在外轭铁34的端面上，线圈32的绕线部分悬放在由磁钢33、轭铁芯36和外轭铁34构成的磁场间隙内，当线圈32接入低频正弦波驱动信号时，可在上述磁场中做上下直线运动并通过活塞31产生垂直方向的低频正弦波交变力；

所述的加力附件由绝缘材料制成的上加力圆盘1和下加力圆盘3、定位连接件16、固定探头17、移动探头18、移动探头固定螺钉19、底座20以及底座固定螺钉21组成，其中上加力圆盘1固定在施力装置中定位滑块25的横梁延伸端头处，下加力圆盘3穿过圆型定位膜片28的中心与绝缘连接柱4相连；定位连接件16安插在下加力圆盘3的定位孔上，带有螺纹的固定探头17穿过定位连接件16的螺孔可进行旋转定位，底座20卡在主壳体22和固定环29上，通过底座固定螺钉21固定，移动探头18穿过底座20上的圆孔可做水平方向移动并通过固定螺钉19定位和固定；专用加力附件的上加力圆盘1和下加力圆盘3用于对被测试样2施加纵向垂直作用力，旋转固定探头17和调节移动探头18的位置可使两个探头与被测试样2的两个电极面(图3和图4中的B方向)紧密接触，引出被测试样由于压电效应所产生出的压电电信号，专用加力附件可以对一定规格尺寸的块型或圆管型被测试样提供纵向作用力和从横向(或径向)获取压电电信号(见图3)；

所述的内部比较样品采用压电陶瓷材料制作(也可用其它压电材料制作)，具有稳定的压电性能，其d₃₃压电常数随时间、温度、湿度变化所产生的影响非常小，它作为被测试样d₃₁压电常数测量的基准，安装在施力装置内部比较上探头5和比较下探头7之间，与被测试样在力学上串联，两者受力一致。

所述的电路装置由两路前置放大器9和10、振荡器11、功率放大器12、数据输入部分13、数据处理部分14和显示输出部分15组成，其中振荡器11的输出与功率放大器12的输入相连；前置放大器9和10的输入分别与被测试样2和比较样品6两端并联的大电容相连，前置放大器9和10的输出与数据输入部分13一切接入数据处理部分14，数据处理部分14的输出和显示输出部分15相连。

所述的振荡器11，是一个正弦波电压信号发生器，振荡频率在110Hz左右；

所述的功率放大器12，其输出功率为5瓦且连续可调，正弦波信号发生器的输出信号经功率放大器12放大后接入电磁驱动器线圈，可使电磁驱动器最大产生1个牛顿的低频正弦波交变力；

所述的两路前置放大器9和10，分别用于对被测和比较两路压电电压信号进行放大，其输入阻抗为200KΩ左右，增益范围60-80db；

所述的数据输入13，用于输入被测试样的受力面积和极化面积(A和B)，为三位十进制数输入，其输入内容是被测试样的受力面积与极化面积的比值(受力面积与极化面积可以用卡尺方便地量出)；

所述的数据处理14，由同步线性检波器、模拟除法器和A/D转换部分组成，用于对放大后的V₁与V₂以及已有或输入的其它数据进行处理和计算，以得到被测试样d₃₁压电常数。经放大后的两路低频交变电压V₁与V₂首先通过同步线性检波器转换为两路直流电压信号，然后与输入的被测试样受力面积A、极化面积B以及内部比较样品的d₃₃压电常数值送入模拟乘除法器按公式8计算d₃₁压电常数的模拟量值，然后通过A/D转换将计算得到的被测试样d₃₁压电常数模拟量值转换成为数字量值；

所述的显示输出15，由4位LED数码管加符号位组成，可将测量得到的被测试样d₃₁压电常数值和极性进行显示输出。

本实用新型准静态法d₃₁测量系统的主要工作过程如下：首先由电路装置中振荡器提供110赫兹左右的低频正弦波信号，经功率放大器放大后送施力装置中电磁驱动器产生0.2牛顿左右的低频正弦波交变力施加在被测试样(加力方向与试样自身极化方向垂直)和内部比较样品(加力方向与样品自身极化方向一致)上，由于压电效应在被测试样和内部比较样品上产生出的两路压电电压信号经前置放大器放大后与输入的被测试样尺寸一起再进行数据处理，最后得到的被测试样d₃₁压电常数值和极性直接显示输出。

本实用新型准静态法d₃₁测量系统的优点在于：测量中选用的正弦波低频交变力的频率为110赫兹左右，远低于一般被测试样的固有谐振频率，故被测试样中的应力和应变基本上分布均匀，测量所需边界条件得到了保证；由于测量时施加在试样上的低频交变力幅度仅为0.2个牛顿左右，远低于静态法测量中数十个牛顿的作用力，有效避免了压电材料固有的非线性和热释电漂移现象的发生，降低了测量误差，保证了测量精度；又由于测量中采用比较法，被测试样与内部比较样品在力学上串联，数据处理过程中计算d₃₁压电常数时所施加的正弦波低频交变作用力不但可以约去(见式8和式5)，而且在加力过程中调节施力装置对被测试样松紧程度所造成的静压力偏差也可以抵消，同时由于测量中被测试样d₃₁压电常数以内部比较样品d₃₃压电常数为基准，因此，测量不仅可以得到被测试样的d₃₁压电常数值还可以得到被测试样d₃₁压电常数的极性，使得测量结果实用有效。

附图说明

图1为本实用新型准静态法d₃₁测量系统的测量方法原理图

图2为本实用新型准静态法d₃₁测量系统的结构示意图

图3为本实用新型准静态法d₃₁测量系统的专用加力附件结构示意图

图4为本实用新型准静态法d₃₁测量系统的施力装置结构示意图

图5为本实用新型准静态法d₃₁测量系统的实施例结构示意图

图面说明

1-上加力圆盘         2-被测试样          3-下加力圆盘

4-绝缘连接柱         5-比较上探头        6-比较样品

7-比较下探头         8-电磁驱动器        B-被测试样电极面

9-第一前置放大器     10-第二前置放大器   11-振荡器

12-功率放大器        13-数据输入部分     14-数据处理部分

15-显示输出部分      16-固定探头定位连接件         17-固定探头

18-移动探头          19-移动探头固定螺钉           20-底座

21-底座固定螺钉      22-主壳体                     23-定位导轨

24-导轨槽盖          25-定位滑块                   26-调节杆

27-调节手轮          28-圆型定位膜片               29-固定环

30-定心支片          31-活塞                       32-线圈

33-磁钢              34-外轭铁                     35-轭铁底座

36-轭铁芯            37-信号输入连接插座

具体实施方式

现在结合上述附图和实施例来进一步详细说明本实用新型的测量方法和系统。

参考图2和5，制作一本实施例由施力装置和电路装置组成的准静态法d₃₁测量系统。

本实施例施力装置内的电磁驱动器参考图4，由磁钢33、轭铁芯36、外轭铁34、轭铁底座35、线圈32、活塞31和定心支片30构成，其中外轭铁34固定在轭铁底座35上，线圈32的上端与活塞31的下端相连，由定心支片30固定在外轭铁34的端面上，线圈32的绕线部分悬放在由磁钢33、轭铁芯36和外轭铁34构成的磁场间隙内，当接入低频正弦波驱动信号时，可在上述磁场中做上下直线运动并通过活塞31产生垂直方向的低频交变力。

参考图3，本实施例的专用加力附件由环氧板制成的上加力圆盘1和下加力圆盘3，不锈钢材料制成的固定探头17和它的定位连接件16，移动探头18和它的固定螺钉19、底座20以及底座固定螺钉21组成，上加力圆盘1固定在施力装置中定位滑块25的横梁延伸端头处，下加力圆盘3穿过圆型定位膜片28的中心与绝缘连接柱4相连；定位连接件16安插在下加力圆盘3的定位孔上，带有螺纹的固定探头17穿过定位连接件16的螺孔可进行旋转定位；底座20卡在主壳体22和固定环29上，通过底座固定螺钉21固定，移动探头18穿过底座20上的圆孔可以水平移动并通过固定螺钉19固定。

内部比较样品6是由PZT-5型压电陶瓷材料制成的圆柱型压电陶瓷元件来承担，它的直径为6毫米，高度是5毫米，经过充分的老化时间后，其d₃₃压电常数稳定，为400pC/N，极化电极面为圆柱的上下端面，上端面为极化时的正极，与比较上探头5相连接；下端面为极化时的负极，与比较下探头7相连接。

固定探头17和移动探头18的两端以及比较上下探头5和7的两端各并联一个1微法的电容后通过电缆连接到电路装置中的前置放大器9和10(参考图1)，两路前置放大器的输入阻抗均为200KΩ，增益也完全相同，为80db。

电路装置除了两路性能完全相同的前置放大器9和10外，还包括振荡器11、功率放大器12、数据输入部分13、数据处理部分14和显示输出部分15。前置放大器9和10输入阻抗为200KΩ左右，增益范围60-80db，分别用于对被测和比较两路压电电压信号V₁与V₂进行放大。振荡器11是一个振荡频率为110Hz的正弦波振荡器，功率放大器12的输出功率为5瓦且输出功率可以连续调节，正弦波振荡器的输出信号经功率放大器放大后通过电缆和施力装置上的信号输入连接插座37连接到电磁驱动器线圈；数据输入部分13是一个三位BCD拨码盘，用于输入被测试样受力面积与极化面积的比值，其范围在0.01至9.99之间；数据处理部分14由同步线性检波器、模拟乘除法器和模数(A/D)转换器组成，经过前置放大器9和10放大后的被测、比较两路交变电压信号送入同步线性检波器进行同步线性检波后转换成为两路带极性的直流电压信号，然后与内部比较样品的d₃₃压电常数值以及由数据输入部分13得到的被测试样受力面积与极化面积的比值一起送模拟乘除法器，按照前述的比较法计算d₃₁压电常数的公式(式5)计算出被测试样的d₃₁压电常数模拟量电压值，再送至A/D转换器进行A/D转换，得到被测试样d₃₁压电常数的数字信号；显示输出部分15由四位LED数码管、一个符号位以及相配套的译码及驱动器组成，可直接显示被测试样的d₃₁压电常数值的最终测量结果。

实施例2，使用实施例1由施力装置和电路装置组成的准静态法d₃₁测量系统，对一个PZT-5型压电陶瓷材料制成的方块型试样(长、宽、高均为15毫米)进行d₃₁压电常数的测量。

参考图5，首先将准静态法d₃₁测量系统中的施力装置和电路装置连接好(可参照实施例1中的有关说明)，然后将方块型被测试样2放置在下加力圆盘3上面的中间，试样极化时的正电极一端与固定探头17相接，而负电极一端与移动探头18相接，调节移动探头18使方块型被测试样2的两个电极面与固定探头17移动探头18紧密接触，并利用移动探头固定螺钉19将其固定，然后，旋转施力装置的调节手轮27使定位滑块25上下移动并带动上加力圆盘1上下移动将方块型被测试样2压住，打开系统中电路装置的开关，振荡器11工作，产生振荡频率为110Hz的正弦波振荡信号经功率放大器12放大后送施力装置中电磁驱动器，转换为同频率的交变力作用在圆柱型内部比较样品6和方块型被测试样2上，由于压电效应在方型被测试样2和圆柱型内部比较样品6两端并联电容上所产生的两路低频交变电压经过各自连接的前置放大器9和10放大后分别送入数据处理部分13中的同步线性检波器检波，得到了与方型被测试样2的低频交变电压对应的直流电压V1，其极性为负，与圆柱型内部比较样品6的低频交变电压对应的直流电压V2，其极性为正，由于方型被测试样2受力面积与极化面积相同(15mm×15mm)比值为1，通过数据输入13的拨码盘输入“1.00”与圆柱型内部比较样品6的d₃₃压电常数“400pC/N”一起送模拟乘除法器按准静态法测量中比较法的d₃₁计算公式，计算方型被测试样2的d₃₁压电常数并进行A/D转换，最后得到的测量结果为“-212pC/N”。以上是采用本发明的实施例1压电材料准静态法横向压电应变常数测量系统对方型被测试样d₃₁压电常数测量的一个完整过程，从方型被测试样按要求放入测量系统施力装置中的专用加力附件固定后，到测量系统中电路装置启动，完成由振荡驱动输出、信号输入放大、数据处理到最终测量结果显示输出的全过程工作，只需几秒、最多十几秒的时间。

Claims (8)

1.一种准静态法d₃₁测量系统，包括施力装置和电路装置，其特征在于，所述的施力装置由用来产生低频交变力的电磁驱动器、作为比较法测量基准的内部比较样品和用于对被测试样提供测量所需要作用力以及获得压电电信号的加力附件组成，其中：

所述的加力附件由绝缘材料制成的上加力圆盘(1)和下加力圆盘(3)、固定探头(17)、定位连接件(16)、移动探头(18)、移动探头固定螺钉(19)、底座(20)以及底座固定螺钉(21)组成；所述的上加力圆盘(1)固定在施力装置中定位滑块(25)的横梁延伸端头处，下加力圆盘(3)穿过圆型定位膜片(28)的中心与绝缘连接柱(4)相连；定位连接件(16)安插在下加力圆盘(3)的定位孔上，带有螺纹的固定探头(17)穿过定位连接件(16)的螺孔固定；底座(20)卡在主壳体(22)和固定环(29)上，通过底座固定螺钉(21)进行固定，移动探头(18)可在底座(20)上的圆孔中水平移动，并通过其固定螺钉(19)定位和固定；

所述的电路装置由两路前置放大器(9)和(10)、振荡器(11)、功率放大器(12)、数据输入部分(13)、数据处理部分(14)和显示输出部分(15)组成；其中振荡器(11)的输出与功率放大器(12)连接，被测试样(2)和比较样品(6)两端并联相同容量的大电容后分别连接到前置放大器(9)和(10)的输入端，连接，前置放大器(9)和(10)的输出与数据输入部分(13)得到的外置输入信号一起接入数据处理部分(14)，数据处理部分(14)的输出直接送显示输出部分(15)。

2.按权利要求1所述的准静态法d₃₁测量系统，其特征在于，所述的电磁驱动器由磁钢(33)、轭铁芯(36)、外轭铁(34)、轭铁底座(35)、线圈(32)、活塞(31)和定心支片(30)构成，其中外轭铁(34)固定在轭铁底座(35)上部，线圈(32)的上端与活塞(31)的下端相连，由定心支片(30)固定在外轭铁(34)的端面上，线圈(32)的绕线部分悬放在由磁钢(33)、轭铁芯(36)和外轭铁(34)构成的磁场间隙内。

3.按权利要求1所述的准静态法d₃₁测量系统，其特征在于，所述的两路前置放大器(9)和(10)输入阻抗为200KΩ，增益范围60-80db。

4.按权利要求1所述的准静态法d₃₁测量系统，其特征在于，所述的振荡器(11)，是一个正弦波电压信号发生器，振荡频率在110Hz左右。

5.按权利要求1所述的准静态法d₃₁测量系统，其特征在于，所述的功率放大器(12)其输出功率连续可调，可驱动施力装置中的电磁驱动器最大产生1个牛顿的低频正弦波交变力。

6.按权利要求1所述的准静态法d₃₁测量系统，其特征在于，所述的数据输入部分(13)为一个三位BCD拨码盘，用于输入被测试样受力面积与极化面积的比值，其范围在0.01至9.99之间。

7.按权利要求1所述的准静态法d₃₁测量系统，其特征在于，所述的数据处理部分(14)，由同步线性检波器、模拟乘除法器和A/D转换部分组成，或者为微处理芯片、单片机、PC机以及具有用于对放大后的被测、比较两路压电电压信号V₁与V₂以及已有或输入的数据进行处理和按以下

$d_{31}=d_{33}\frac{A}{B}\frac{V_1}{V_2}$

公式计算被测试样的d₃₁压电常数的替代电路。

8.按权利要求1所述的准静态法d₃₁测量系统，其特征在于，所述的显示输出部分(15)由四位LED数码管、一个符号位以及相配套的译码及驱动器组成。

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