專利名稱：壓電材料準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電材料壓電常數(shù)的測(cè)量方法，特別是涉及壓電材料橫向壓電應(yīng)變常數(shù)(簡(jiǎn)稱d31壓電常數(shù))的一種測(cè)量方法和測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
壓電常數(shù)是表征壓電材料壓電性能的重要參數(shù)，主要包括有縱向壓電應(yīng)變常數(shù)d33(測(cè)量方法可參考本申請(qǐng)人在99年2月6日被授權(quán)的專利“準(zhǔn)靜態(tài)法縱向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量?jī)x，專利號(hào)為ZL97231420.2)，橫向壓電應(yīng)變常數(shù)d31，切向壓電應(yīng)變常數(shù)d15以及等靜壓壓電常數(shù)dh等。對(duì)于橫向壓電應(yīng)變常數(shù)d31的測(cè)量，以往采用動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法進(jìn)行，動(dòng)態(tài)法測(cè)量橫向壓電應(yīng)變常數(shù)d31，是通過測(cè)量被測(cè)試樣的諧振和反諧振頻率后經(jīng)過計(jì)算而得到，是目前國(guó)際上公認(rèn)的測(cè)量精度較高的一種d31壓電常數(shù)測(cè)量方法，但動(dòng)態(tài)法測(cè)試過程煩瑣，測(cè)量中要求滿足一定的邊界條件和屏蔽要求，局限性大，只能測(cè)量滿足特定形狀、規(guī)格和尺寸要求的標(biāo)準(zhǔn)試樣(例如薄長(zhǎng)條或薄圓片)，實(shí)用性差。靜態(tài)法測(cè)量d31壓電常數(shù)，是利用壓電材料所具有的正壓電效應(yīng)通過對(duì)被測(cè)試樣施加一單方向作用力后測(cè)量其壓電電壓值來得到d31值，但在測(cè)量中為保證測(cè)量靈敏度所施加的靜態(tài)作用力較大，由于壓電材料所具有的非線性和熱釋電漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致了測(cè)量誤差大和重復(fù)性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決以往動(dòng)態(tài)法測(cè)量壓電材料d31壓電常數(shù)測(cè)試過程煩瑣，實(shí)用性差的缺陷，以及解決靜態(tài)法測(cè)量d31壓電常數(shù)誤差大和重復(fù)性差的問題，從而提供一種適于對(duì)各種形狀的壓電材料都可以測(cè)量的、簡(jiǎn)單實(shí)用的、且能滿足測(cè)量精確度要求的d31壓電常數(shù)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量方法及系統(tǒng)。
根據(jù)d31壓電常數(shù)定義d31=(D3T1)E(S1E3)T---(1)]]>此處，D3，E3分別為電位移及電場(chǎng)強(qiáng)度，T1，S1為與極化方向相垂直的應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)對(duì)被測(cè)試樣提供的作用力是一個(gè)低頻正弦波交變力，其頻率遠(yuǎn)低于該試樣的固有諧振頻率時(shí)，試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變基本上是分布均勻的，因而被看作是準(zhǔn)靜態(tài)，式(1)可化簡(jiǎn)為d31=Q/BF/A=QAF B=CVAFB---(2)]]>這里，A為施加應(yīng)力的面積，B為產(chǎn)生電荷Q的面積，F(xiàn)為所施加的低頻交變力，C為與樣品并聯(lián)的大電容，以滿足測(cè)量d31時(shí)的恒定電場(chǎng)邊界條件，其C值由樣品的尺寸決定；V為由于壓電效應(yīng)而在大電容C兩端所產(chǎn)生出的壓電電壓。
根據(jù)d33壓電常數(shù)定義為d33=(D3T3)E=(S3E3)T---(3)]]>此處，D3，E3分別為電位移及電場(chǎng)強(qiáng)度，T3，S3為與極化方向一致的應(yīng)力和應(yīng)變，同理在準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量條件下，式(3)可簡(jiǎn)化為d33=Q/AF/A=QF=CVF---(4)]]>此處，A為施加應(yīng)力和產(chǎn)生電荷Q的面積(由于應(yīng)力和應(yīng)變與極化方向一致)，F(xiàn)為所施加的低頻交變力，C為與被測(cè)樣品并聯(lián)的大電容，同樣為了提供一個(gè)滿足測(cè)量d33時(shí)的恒定電場(chǎng)邊界條件，其C值由樣品的尺寸決定；V為由于壓電效應(yīng)而在大電容C兩端所產(chǎn)生出的壓電電壓。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)d31壓電常數(shù)的定義，采用通過對(duì)被測(cè)試樣直接施加低頻交變力和測(cè)量被測(cè)試樣由于正壓電效應(yīng)而產(chǎn)生出的低頻壓電電壓的準(zhǔn)靜態(tài)方法而得到被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)，為使測(cè)量簡(jiǎn)單可行而引入內(nèi)部比較樣品，以內(nèi)部比較樣品的縱向壓電常數(shù)d33值作為基準(zhǔn)，采用比較法而獲得被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)。
本發(fā)明提供的壓電材料準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量方法(采用比較法)，包括以下步驟1)將被測(cè)試樣與內(nèi)部比較樣品(縱向壓電常數(shù)d33值為已知的)力學(xué)上串聯(lián)，使兩者所受作用力的大小一致，同時(shí)，內(nèi)部比較樣品的受力方向與其極化方向一致，以滿足其縱向壓電常數(shù)d33的加力要求；被測(cè)試樣的受力方向與極化方向垂直，以滿足其橫向壓電常數(shù)d31的加力要求；
2)被測(cè)試樣與內(nèi)部比較樣品兩端并聯(lián)相同容量的大電容，以滿足d31和d33測(cè)量時(shí)所需要的恒定電場(chǎng)條件；3)對(duì)被測(cè)試樣和內(nèi)部比較樣品施加同一低頻交變作用力，由于正壓電效應(yīng)在被測(cè)試樣的極化電極面上產(chǎn)生出橫向壓電電荷，在內(nèi)部比較樣品的極化電極面上產(chǎn)生出縱向壓電電荷，兩路壓電電荷通過各自并聯(lián)的電容而轉(zhuǎn)換成兩路壓電電壓信號(hào)；4)利用內(nèi)部比較樣品已知的縱向壓電常數(shù)d33值和通過施加同一低頻交變力而得到的被測(cè)和比較兩路壓電電壓值以及被測(cè)試樣的幾何尺寸(極化電極的面積和受力面積)，根據(jù)以下公式d31=d33ABV1V2---(5)]]>計(jì)算得到被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)。
本發(fā)明提供的準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量方法的工作原理為對(duì)于被測(cè)試樣，設(shè)所受到的作用力為F1，受力面積為A，極化電極的面積為B，被測(cè)試樣兩端所并聯(lián)的大電容為C1，由于壓電效應(yīng)在電極面B上產(chǎn)生的壓電電荷為Q1，通過并聯(lián)大電容C1上產(chǎn)生的壓電電壓為V1，根據(jù)式(2)的d31壓電常數(shù)定義可得d31=Q1/BF1/A=Q1AF1B=C1V1AF1B---(6)]]>對(duì)于內(nèi)部比較樣品，設(shè)所受到的作用力為F2，受力面積和極化電極的面積均為A(由于樣品的受力方向與自身極化方向相同)，兩端所并聯(lián)的大電容為C2，由于壓電效應(yīng)在電極面A上產(chǎn)生的壓電電荷為Q2，在所并聯(lián)大電容C2上產(chǎn)生的壓電電壓為V2，根據(jù)式(4)的d33壓電常數(shù)定義可得d33=Q2/AF2/A=Q2F2=C2V2F2---(7)]]>由于被測(cè)試樣與內(nèi)部比較樣品兩端分別并聯(lián)的電容相同，即C1＝C2；又因?yàn)楸粶y(cè)試樣與內(nèi)部比較樣品在力學(xué)上串聯(lián)，兩者受力相同，則F1＝F2；被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)與內(nèi)部比較樣品的d33壓電常數(shù)之比見以下公式d31d33=C1V1AF1BC2V2F2=V1AV2B=ABV1V2---(8)]]>
由于內(nèi)部比較樣品在測(cè)量中是不變的，則其d33壓電常數(shù)值為已知，又因?yàn)楸粶y(cè)試樣的受力面積和產(chǎn)生電荷的面積能夠用卡尺直接測(cè)出，因此可通過測(cè)量被測(cè)試樣與內(nèi)部比較樣品兩端并聯(lián)電容上的壓電電壓值V1和V2而得到被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)，見下式(或式5與權(quán)利要求1中的公式)。
d31=d33ABV1V2]]>在上述技術(shù)方案中，所述的低頻交變作用力的頻率為110赫茲左右，低頻交變力的幅度為0.2個(gè)牛頓，被測(cè)試樣與內(nèi)部比較樣品兩端分別并聯(lián)的大電容均為1微法。
本發(fā)明提供的壓電材料準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)(見圖2)，包括施力裝置和電路裝置，其中施力裝置包含有電磁驅(qū)動(dòng)器、專用加力附件(見圖3)和內(nèi)部比較樣品；所述的電磁驅(qū)動(dòng)器由磁鋼33、軛鐵芯36、外軛鐵34、軛鐵底座35、線圈32、活塞31和定心支片30構(gòu)成，其中線圈32的上端與活塞31的下端相連，由定心支片30固定在外軛鐵34的端面上，線圈32的有效部分(繞線部分)懸放在由磁鋼33、軛鐵芯36和外軛鐵34構(gòu)成的磁場(chǎng)間隙內(nèi)，當(dāng)線圈32接入低頻正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，可在上述磁場(chǎng)中做上下直線運(yùn)動(dòng)并通過活塞31產(chǎn)生垂直方向的低頻正弦波交變力；所述的專用加力附件由絕緣材料制成的上加力圓盤1和下加力圓盤3、定位連接件16、固定探頭17、移動(dòng)探頭18、移動(dòng)探頭固定螺釘19、底座20以及底座固定螺釘21組成，其中上加力圓盤1固定在施力裝置中定位滑塊25的橫梁延伸端頭處，下加力圓盤3穿過圓型定位膜片28的中心與絕緣連接柱4相連；定位連接件16安插在下加力圓盤3的定位孔上，帶有螺紋的固定探頭17穿過定位連接件16的螺孔可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位；底座20卡在主殼體22和固定環(huán)29上，通過底座固定螺釘21固定，移動(dòng)探頭18穿過底座20上的圓孔通過移動(dòng)探頭固定螺釘19定位和固定；專用加力附件的上加力圓盤1和下加力圓盤3用于對(duì)被測(cè)試樣2施加縱向垂直作用力，旋轉(zhuǎn)固定探頭17和調(diào)節(jié)移動(dòng)探頭18的位置可使兩個(gè)探頭與被測(cè)試樣2的兩個(gè)電極面(圖3和圖4中的B方向)緊密接觸，引出被測(cè)試樣由于壓電效應(yīng)所產(chǎn)生出的壓電電信號(hào)，專用加力附件可以對(duì)一定規(guī)格尺寸的塊型或圓管型被測(cè)試樣提供縱向作用力和從橫向(或徑向)獲取壓電電信號(hào)(見圖3)；所述的內(nèi)部比較樣品采用壓電陶瓷材料制作(也可用其它壓電材料制作)，具有穩(wěn)定的壓電性能，其d33壓電常數(shù)隨時(shí)間、溫度、濕度變化所產(chǎn)生的影響非常小，它作為被測(cè)試樣d31壓電常數(shù)測(cè)量的基準(zhǔn)，安裝在施力裝置內(nèi)部，與被測(cè)試樣在力學(xué)上串聯(lián)，兩者受力一致。
所述的電路裝置由兩路前置放大器9和10、振蕩器11、功率放大器12、數(shù)據(jù)輸入部分13、數(shù)據(jù)處理部分14和顯示輸出部分15組成，其中振蕩器11的輸出與功率放大器12的輸入相連；前置放大器9和10的輸入分別與被測(cè)試樣2和比較樣品6兩端并聯(lián)的大電容相連，前置放大器9和10的輸出與數(shù)據(jù)輸入部分13一切接入數(shù)據(jù)處理部分14，數(shù)據(jù)處理部分14的輸出和顯示輸出部分15相連。
所述的振蕩器11，一個(gè)正弦波電壓信號(hào)發(fā)生器，振蕩頻率在110Hz左右；所述的功率放大器12，其輸出功率僅為5瓦且連續(xù)可調(diào)，正弦波信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后接入電磁驅(qū)動(dòng)器線圈，可使電磁驅(qū)動(dòng)器最大產(chǎn)生1個(gè)牛頓的低頻正弦波交變力；所述的兩路前置放大器9和10，分別用于對(duì)被測(cè)和比較兩路壓電電壓信號(hào)V1與V2進(jìn)行放大，其輸入阻抗為200KΩ左右，增益范圍60-80db；所述的數(shù)據(jù)輸入13，用于輸入被測(cè)試樣的受力面積和極化面積(A和B)，為三位十進(jìn)制數(shù)輸入，其輸入內(nèi)容是被測(cè)試樣的受力面積與極化面積比(受力面積與極化面積可以用卡尺方便地量出)；所述的數(shù)據(jù)處理14，由同步線性檢波器、模擬除法器和A/D轉(zhuǎn)換部分組成，用于對(duì)放大后的V1與V2以及已有或輸入的其它數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，以得到被測(cè)試樣d31壓電常數(shù)。經(jīng)放大后的兩路低頻交變電壓V1與V2首先通過同步線性檢波器轉(zhuǎn)換為兩路直流電壓信號(hào)，然后與輸入的被測(cè)試樣受力面積A、極化面積B以及內(nèi)部比較樣品的d33壓電常數(shù)值送入模擬乘除法器按公式(5)計(jì)算d31壓電常數(shù)的模擬量值，然后通過A/D轉(zhuǎn)換將計(jì)算得到的被測(cè)試樣d31壓電常數(shù)模擬量值轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量值；所述的顯示輸出15，由4位LED數(shù)碼管加符號(hào)位組成，可將測(cè)量得到的被測(cè)試樣d31壓電常數(shù)值和極性進(jìn)行顯示輸出。
本發(fā)明所提供的壓電材料準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的主要工作過程如下首先由電路裝置中振蕩器提供110赫茲左右的低頻正弦波信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后送施力裝置中電磁驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生0.2牛頓左右的低頻正弦波交變力施加在被測(cè)試樣(加力方向與試樣自身極化方向垂直)和內(nèi)部比較樣品(加力方向與樣品自身極化方向一致)上，由于壓電效應(yīng)在被測(cè)試樣和內(nèi)部比較樣品上產(chǎn)生出的兩路壓電電壓信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后與輸入的被測(cè)試樣尺寸一起再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后得到的被測(cè)試樣d31壓電常數(shù)值和極性直接顯示輸出。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量中選用的正弦波低頻交變力的頻率為110赫茲左右，遠(yuǎn)低于一般被測(cè)試樣的固有諧振頻率，故被測(cè)試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變基本上分布均勻，測(cè)量所需邊界條件得到了保證；由于測(cè)量時(shí)施加在試樣上的低頻交變力幅度僅為0.2個(gè)牛頓左右，遠(yuǎn)低于靜態(tài)法測(cè)量中數(shù)十個(gè)牛頓的作用力，有效避免了壓電材料固有的非線性和熱釋電漂移現(xiàn)象的發(fā)生，降低了測(cè)量誤差，保證了測(cè)量精度；又由于測(cè)量中采用比較法，被測(cè)試樣與內(nèi)部比較樣品在力學(xué)上串聯(lián)，數(shù)據(jù)處理過程中計(jì)算d31壓電常數(shù)時(shí)所施加的正弦波低頻交變作用力不但可以約去(見式8和式5)，而且在加力過程中調(diào)節(jié)施力裝置對(duì)被測(cè)試樣松緊程度所造成的靜壓力偏差也可以抵消，同時(shí)由于測(cè)量中被測(cè)試樣d31壓電常數(shù)以內(nèi)部比較樣品d33壓電常數(shù)為基準(zhǔn)，因此，測(cè)量不僅可以得到被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)值還可以得到被測(cè)試樣d31壓電常數(shù)的極性，使得測(cè)量結(jié)果實(shí)用有效。


圖1為本發(fā)明d31壓電常數(shù)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量方法的原理2為本發(fā)明d31壓電常數(shù)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明d31壓電常數(shù)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量專用加力附件結(jié)構(gòu)示意4為本發(fā)明d31壓電常數(shù)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量施力裝置結(jié)構(gòu)示意5為本發(fā)明d31壓電常數(shù)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意面說明1-上加力圓盤2-被測(cè)試樣 3-下加力圓盤4-絕緣連接柱5-比較上探頭 6-比較樣品7-比較下探頭8-電磁驅(qū)動(dòng)器 B-被測(cè)試樣電極面9-第一前置放大器10-第二前置放大器11-振蕩器12-功率放大器 13-數(shù)據(jù)輸入 14-數(shù)據(jù)處理15-顯示輸出 16-固定探頭定位連接件17-固定探頭18-移動(dòng)探頭 19-移動(dòng)探頭固定螺釘 20-底座21-底座固定螺釘 22-主殼體23-定位導(dǎo)軌24-導(dǎo)軌槽蓋 25-定位滑塊 26-調(diào)節(jié)桿27-調(diào)節(jié)手輪 28-圓型定位膜片 29-固定環(huán)30-定心支片 31-活塞 32-線圈33-磁鋼 34-外軛鐵35-軛鐵底座36-軛鐵芯 37-信號(hào)輸入連接插座
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在結(jié)合上述附圖和實(shí)施例來進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的測(cè)量方法和系統(tǒng)。
參考圖2和5，制作一本實(shí)施例由施力裝置和電路裝置組成的壓電材料準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。
本實(shí)施例施力裝置內(nèi)的電磁驅(qū)動(dòng)器參考圖4，由磁鋼33、軛鐵芯36、外軛鐵34、軛鐵底座35、線圈32、活塞31和定心支片30構(gòu)成，其中外軛鐵34固定在軛鐵底座35上，線圈32的上端與活塞31的下端相連，由定心支片30固定在外軛鐵34的端面上，線圈32的繞線部分懸放在由磁鋼33、軛鐵芯36和外軛鐵34構(gòu)成的磁場(chǎng)間隙內(nèi)，當(dāng)接入低頻正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，可在上述磁場(chǎng)中做上下直線運(yùn)動(dòng)并通過活塞31產(chǎn)生垂直方向的低頻交變力。
參考圖3，本實(shí)施例的專用加力附件由環(huán)氧板制成的上加力圓盤1和下加力圓盤3，不銹鋼材料制成的固定探頭17和它的定位連接件16，移動(dòng)探頭18和它的固定螺釘19、底座20以及底座固定螺釘21組成，上加力圓盤1固定在施力裝置中定位滑塊25的橫梁延伸端頭處，下加力圓盤3穿過圓型定位膜片28的中心與絕緣連接柱4相連；定位連接件16安插在下加力圓盤3的定位孔上，帶有螺紋的固定探頭17穿過定位連接件16的螺孔可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位；底座20卡在主殼體22和固定環(huán)29上，通過底座固定螺釘21固定，移動(dòng)探頭18穿過底座20上的圓孔可以水平移動(dòng)并通過固定螺釘19固定。信號(hào)輸入連接插座37安裝在主殼體22的外壁上。上加力圓盤1和下加力圓盤3用于對(duì)被測(cè)試樣2施加縱向垂直作用力，旋轉(zhuǎn)固定探頭17和調(diào)節(jié)移動(dòng)探頭18的位置可使兩個(gè)探頭與被測(cè)試樣2的兩個(gè)電極面(圖3和圖4中的B方向)緊密接觸，引出被測(cè)試樣由于壓電效應(yīng)所產(chǎn)生出的壓電電信號(hào)，專用加力附件可以對(duì)一定規(guī)格尺寸的塊型或圓管型被測(cè)試樣提供縱向作用力和從橫向(或徑向)獲取壓電電信號(hào)(見圖3)內(nèi)部比較樣品6是由PZT-5型壓電陶瓷材料制成的圓柱型壓電陶瓷元件來承擔(dān)，它的直徑為6毫米，高度是5毫米，經(jīng)過充分的老化時(shí)間后，其d33壓電常數(shù)穩(wěn)定，為400pC/N，極化電極面為圓柱的上下端面，上端面為極化時(shí)的正極，與比較上探頭5相連接；下端面為極化時(shí)的負(fù)極，與比較下探頭7相連接。
固定探頭17和移動(dòng)探頭18的兩端以及比較上下探頭5和7的兩端各并聯(lián)一個(gè)1微法的電容后通過電纜連接到電路裝置中的前置放大器9和10(參考圖1)，兩路前置放大器的輸入阻抗均為200KΩ，增益也完全相同，為80db。
參考圖2，本實(shí)施例的電路裝置除了兩路性能完全相同的前置放大器9和10外，還包括振蕩器11、功率放大器12、數(shù)據(jù)輸入部分13、數(shù)據(jù)處理部分14和顯示輸出部分15。
這里對(duì)一個(gè)PZT-5型壓電陶瓷材料制成的方塊型樣品(長(zhǎng)、寬、高均為15毫米)進(jìn)行d31壓電常數(shù)的測(cè)量的過程如下參考圖5，首先將壓電材料準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中的施力裝置和電路裝置連接好(可參照實(shí)施例1中的有關(guān)說明)，然后將方塊型被測(cè)試樣(2)放置在下加力圓盤(3)上面的中間，試樣極化時(shí)的正電極一端與固定探頭(17)相接，而負(fù)電極一端與移動(dòng)探頭(18)相接，調(diào)節(jié)移動(dòng)探頭(18)使方塊型被測(cè)試樣(2)的兩個(gè)電極面與固定探頭(17)移動(dòng)探頭(18)緊密接觸，并利用移動(dòng)探頭固定螺釘(19)將其固定，然后，旋轉(zhuǎn)施力裝置的調(diào)節(jié)手輪(27)使定位滑塊(25)上下移動(dòng)并帶動(dòng)上加力圓盤(1)上下移動(dòng)將方塊型被測(cè)試樣(2)壓住，打開系統(tǒng)中電路裝置的開關(guān)，振蕩器(11)工作，產(chǎn)生振蕩頻率為110Hz的正弦波振蕩信號(hào)經(jīng)功率放大器(12)放大后送施力裝置中電磁驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)換為同頻率的交變力作用在圓柱型內(nèi)部比較樣品(6)和方塊型被測(cè)試樣(2)上，由于壓電效應(yīng)在方型被測(cè)試樣(2)和圓柱型內(nèi)部比較樣品(6)兩端并聯(lián)電容上所產(chǎn)生的兩路低頻交變電壓經(jīng)過各自連接的前置放大器(9)和(10)放大后分別送入數(shù)據(jù)處理部分(13)中的同步線性檢波器檢波，得到了與方型被測(cè)試樣(2)的低頻交變電壓對(duì)應(yīng)的直流電壓V1，其極性為負(fù)，與圓柱型內(nèi)部比較樣品(6)的低頻交變電壓對(duì)應(yīng)的直流電壓V2，其極性為正，由于方型被測(cè)試樣(2)受力面積與極化面積相同(15mm×15mm)比值為1，通過數(shù)據(jù)輸入(13)的撥碼盤輸入“1.00”與圓柱型內(nèi)部比較樣品(6)的d33壓電常數(shù)“400pC/N”一起送模擬乘除法器按準(zhǔn)靜態(tài)法測(cè)量中比較法的d31計(jì)算公式，計(jì)算方型被測(cè)試樣(2)的d31壓電常數(shù)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后得到的測(cè)量結(jié)果為“-212pC/N”。以上是采用本發(fā)明的實(shí)施例1壓電材料準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)方型被測(cè)試樣d31壓電常數(shù)測(cè)量的一個(gè)完整過程，從方型被測(cè)試樣按要求放入測(cè)量系統(tǒng)施力裝置中的專用加力附件固定后，到測(cè)量系統(tǒng)中電路裝置啟動(dòng)，完成由振蕩驅(qū)動(dòng)輸出、信號(hào)輸入放大、數(shù)據(jù)處理到最終測(cè)量結(jié)果顯示輸出的全過程工作，只需幾秒、最多十幾秒的時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種壓電材料的準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量方法，包括以下步驟1)將被測(cè)試樣與內(nèi)部比較樣品力學(xué)上串聯(lián)，使兩者所受作用力的大小一致，同時(shí)，內(nèi)部比較樣品的受力方向與其極化方向一致，以滿足其縱向壓電應(yīng)變常數(shù)d33的加力要求；被測(cè)試樣的受力方向與極化方向垂直，以滿足其橫向壓電應(yīng)變常數(shù)d31的加力要求；2)被測(cè)試樣與內(nèi)部比較樣品兩端并聯(lián)相同容量的大電容，以滿足d31和d33測(cè)量時(shí)所需要的恒定電場(chǎng)條件；3)對(duì)被測(cè)試樣和內(nèi)部比較樣品施加同一低頻交變作用力，由于正壓電效應(yīng)在被測(cè)試樣的極化電極面上產(chǎn)生出橫向壓電電荷，在內(nèi)部比較樣品的極化電極面上產(chǎn)生出縱向壓電電荷，兩路壓電電荷通過各自并聯(lián)的電容而轉(zhuǎn)換成兩路壓電電壓信號(hào)；4)利用內(nèi)部比較樣品已知的縱向壓電應(yīng)變常數(shù)d33值，和通過施加低頻交變力而得到的被測(cè)和比較兩路壓電電壓值，以及被測(cè)試樣的極化電極的面積和受力面積，根據(jù)以下公式d31=d33ABV1V2]]>計(jì)算得到被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)。
2.按權(quán)利要求1所述壓電材料的準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所述的施加低頻交變作用力的頻率為110Hz；低頻交變力幅度為0.1-1個(gè)牛頓。
3.按權(quán)利要求1所述的壓電材料的準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量方法，其特征在于，所述的比較樣品為壓電陶瓷材料制作的圓柱或圓環(huán)型壓電元件。
4.一種壓電材料的準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括施力裝置和電路裝置，其特征在于，所述的施力裝置由用來產(chǎn)生低頻交變力的電磁驅(qū)動(dòng)器、作為比較法測(cè)量基準(zhǔn)的內(nèi)部比較樣品，和用于對(duì)被測(cè)試樣提供測(cè)量所需要作用力以及獲得壓電電信號(hào)的加力附件；其中所述的加力附件由絕緣材料制成的上加力圓盤(1)和下加力圓盤(3)、固定探頭(17)、定位連接件(16)、移動(dòng)探頭(18)、移動(dòng)探頭固定螺釘(19)、底座(20)以及底座固定螺釘(21)組成；所述的上加力圓盤(1)固定在施力裝置中定位滑塊(25)的橫梁延伸端頭處，下加力圓盤(3)穿過圓型定位膜片(28)的中心與絕緣連接柱(4)相連；定位連接件(16)安插在下加力圓盤(3)的定位孔上，帶有螺紋的固定探頭(17)穿過定位連接件(16)的螺孔固定；底座(20)卡在主殼體(22)和固定環(huán)(29)上，通過底座固定螺釘(21)進(jìn)行固定，移動(dòng)探頭(18)可在底座(20)上的圓孔中水平移動(dòng)，并通過其固定螺釘(19)定位和固定；所述的電路裝置由兩路前置放大器(9)和(10)、振蕩器(11)、功率放大器(12)、數(shù)據(jù)輸入部分(13)、數(shù)據(jù)處理部分(14)和顯示輸出部分(15)組成，振蕩器(11)和功率放大器(12)用于為施力裝置中的電磁驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；兩路前置放大器(9)和(10)用于對(duì)被測(cè)和比較兩路壓電電壓信號(hào)進(jìn)行放大；數(shù)據(jù)輸入部分(13)用于輸入被測(cè)試樣的極化面積和受力面積或兩者的比值；數(shù)據(jù)處理部分(14)用于根據(jù)測(cè)量中得到的被測(cè)比較兩路壓電電壓信號(hào)及其它相關(guān)參數(shù)計(jì)算被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)值；顯示輸出部分(15)用于顯示測(cè)量的最終結(jié)果。
5.按權(quán)利要求4所述的壓電材料準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述的電磁驅(qū)動(dòng)器由磁鋼(33)、軛鐵芯(36)、外軛鐵(34)、軛鐵底座(35)、線圈(32)、活塞(31)和定心支片(30)構(gòu)成，其中線圈(32)的上端與活塞(31)的下端相連，由定心支片(30)固定在外軛鐵(34)的端面上，線圈(32)的繞線部分懸放在由磁鋼(33)、軛鐵芯(36)和外軛鐵(34)構(gòu)成的磁場(chǎng)間隙內(nèi)。
6.按權(quán)利要求4所述的壓電材料準(zhǔn)靜態(tài)法橫向壓電應(yīng)變常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的兩路前置放大器(9)和(10)輸入阻抗在200KΩ，增益范圍60-80db；所述的振蕩器(11)，是一個(gè)正弦波電壓信號(hào)發(fā)生器，振蕩頻率在110Hz左右；所述的功率放大器(12)其輸出功率為連續(xù)可調(diào)，可驅(qū)動(dòng)施力裝置中的電磁驅(qū)動(dòng)器最大產(chǎn)生1個(gè)牛頓的低頻正弦波交變力；所述的數(shù)據(jù)輸入部分(13)為一個(gè)三位BCD撥碼盤，用于輸入被測(cè)試樣受力面積與極化面積的比值，其范圍在0.01至9.99之間；所述的數(shù)據(jù)處理部分(14)，由同步線性檢波器、模擬乘除法器和A/D轉(zhuǎn)換部分電連接組成，或者為微處理芯片、單片機(jī)、PC機(jī)，以及具有用于對(duì)放大后的被測(cè)、比較兩路壓電電壓信號(hào)V1與V2以及已有或輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和按以下d31=d33ABV1V2]]>公式計(jì)算被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)的其它替代電路；所述的顯示輸出部分(15)由四位LED數(shù)碼管、一個(gè)符號(hào)位以及相配套的譯碼及驅(qū)動(dòng)器組成，直接顯示被測(cè)試樣的d31壓電常數(shù)值的最終測(cè)量結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電材料橫向壓電應(yīng)變常數(shù)(簡(jiǎn)稱d
文檔編號(hào)G01R29/22GK1979184SQ20051012622
公開日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者潘潮, 陳守六, 金亨煥, 易曉星, 章力旺 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所