准静态法d 测量系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种压电材料横向压电应变常数（简称ｄ↓［３１］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ｄ↓［３１］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ｄ↓［３１］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ｄ↓［３１］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。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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dh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。
技术实现思路
本技术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d31=(D3T1)E=(S1E3)T---(1)]]>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d31=Q/BF/A=QAFB=CVAFB---(2)]]>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。本技术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d33=(D3T3)E=(S3E3)T---(3)]]>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d33=Q/AF/A=QF=CVF---(4)]]>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。本技术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d31=Q1/BF1/A=Q1AF1B=C1V1AF1B---(5)]]>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d33=Q2/AF2/A=Q2F2=C2V2F2---(6)]]>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d31d33=C1V1AF1BC2V2F2=V1AV2B=ABV1V2---(7)]]>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d31=d33ABV1V2---(8)]]>本技术提供的准静态法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，数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种准静态法ｄ↓［３１］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）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘潮，陈守六，金亨焕，易晓星，章力旺，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]