铁电体矫顽场强度的测量方法及其系统

摘要

本发明涉及一种铁电体矫顽场强度的测量方法及其系统，该方法根据当外力在一定范围内，极化过的铁电体样品所受到的外力与所得到的压电电压成正比的关系，在极化后的铁电体试样施加一个低频正弦波交变力，以在铁电体试样两端产生出与低频正弦波交变力相对应的低频交变压电电压；再在该铁电体试样上施加一个直流高压电场，从小到大调节直流高压电场直至铁电体样品的低频交变压电电压为零，该直流高压电场的大小就是铁电体样品的矫顽场强度；所述的直流高压电场由直流高压的电压除以铁电体试样的厚度得到。该方法通过测量极化过的铁电体试样受到外力作用时自身产生出的压电电压在附加直流高压电场作用下的变化来直接得到其矫顽场强度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁电体矫顽场强度的测量，特别涉及一种铁电体矫顽场强度的测量方法及其系统。

技术背景

铁电体的矫顽场强度是铁电体的重要参数，目前公认的测量方法是利用Sawyer-Tower回路来测量，如王永龄著科学出版社2003版的《功能陶瓷性能与应用》一书中所述的，它由低频高压电源、示波器、纯电阻串联支路与被测样品电容和标准电容相串联的容性支路构成的并联测量回路组成。通过在铁电体上施加一个低频高电压，观察流过铁电体的电流随外加电场的变化，即：在示波器X轴上显示样品上所加的电压V(除以样品厚度即为电场强度E)，在示波器Y轴显示样品上的电荷Q(除以样品的电极面积即为电极化强度P或电位移D)，而在示波器的X-Y平面上则完整地显示出铁电体的D-E或P-E电滞回线，从电滞回线上对应极化强度P或电位移D为零的电场强度即为矫顽场强度。

但是，由于铁电体样品及取样电容或多或少存在直流电导及其它介质损耗，在低频高压作用下，由于滞后损耗会使得到的电滞回线会产生畸变，从而导致由此获得的铁电体样品的矫顽场强度不准确。虽然，从原则上可以采用相位补偿的办法，在一定程度上可以减少这种畸变，但由于这种直流电导及介质损耗往往随电场强度而变(即存在非线性变化的关系)，故实际上难以获得完全的相位补偿，从而也就难以得到准确的矫顽场强度。

发明内容

本发明的目的在于：克服利用Sawyer-Tower回路测量铁电体材料矫顽场强度方法中，由于电滞回线产生畸变而造成难以准确测量的缺陷，从而提供一种铁电体矫顽场强度的测量方法及其系统。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的铁电体矫顽场强度的测量方法，根据当外力在一定范围内，极化过的铁电体样品所受到的外力与所得到的压电电压成正比的关系，首先，在极化后的铁电体试样上施加一个低频正弦波交变力，因压电效应在铁电体试样两端产生出低频交变压电电压；再在该铁电体试样上施加一个与原铁电体极化方向相反的直流高压电场，从小到大调节直流高压电场直至铁电体样品两端的低频交变压电电压为零，该直流高压电场的大小就是铁电体样品的矫顽场强度；所述的低频正弦波交变力的频率为70-150Hz，其大小为0.1-1.5牛顿。

所述的直流高压电场是通过在极化后的铁电体上接通一直流高压电源产生的，所述直流高压电源的正极通过一只串联电阻连接铁电体的负极，直流高压电源的负极连接铁电体试样的正极，该直流高压电场的大小通过测量直流高压电源的输出电压和铁电体试样的厚度计算得到。

该测量方法的原理是：极化过的铁电体样品纵向压电应变常数d₃₃与所得到的压电电荷Q成正比的关系：

             d₃₃＝Q/F                                 (1)

式中，Q为压电电荷，F为铁电体样品所受到的作用力，又因为Q＝C₀V，其中，C₀为铁电体样品本身的电容，V为正压电效应在铁电体样品两端所产生出的压电电压，因此，公式(1)可以表示为：

             d₃₃＝C₀V/F                               (2)

由公式(2)可知，对于某个确定的铁电体样品，C₀是一常数，所受到的外力F与所得到的压电电压V的大小成正比。因此，对极化后的铁电体试样施加一个低频正弦波交变力，由于压电效应在铁电体试样两端会产生出与低频正弦波交变力相对应的低频交变压电电压。

铁电体剩余极化强度的大小和铁电体样品由于压电效应而产生出压电电压的大小相对应，在外加直流高压电场作用下使铁电体样品的压电电压变为零，这也就是铁电体样品的剩余极化强度变为零，因为在铁电体的电滞回线中能使其剩余极化强度变为零所加的电场被定义为铁电体的矫顽场强度，所以我们施加的导致铁电体样品压电电压变为零时的直流高压电场，就是被测铁电体样品的矫顽场强度。

本方法由于在测量中对铁电体样品施加的是直流高压电场，而不是交流高压电场，因此不会出现Sawyer-Tower回路测量过程中的电滞回线非线性现象，故无须进行相位补偿就能得到较为准确的矫顽场强度测量结果。

本发明提供的铁电体矫顽场强度的测量系统，包括：示波器，其特征在于，还包括施加低频正弦波交变力的施力装置、直流高压电源、电阻和隔直电容，其中，铁电体试样放置在施力装置的两个探头中间，所述施力装置中，信号源通过电缆与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端通过电缆连接到施力装置的信号输入连接插座上；所述直流高压电源的正极通过一只串联电阻连接到铁电体试样的负极，直流高压电源的负极连接铁电体试样的正极；所述铁电体试样的负极经过隔直电容接入示波器输入端口，铁电体试样的正极连接在示波器的接地端。

所述的功率放大器为不低于10瓦的音频功率放大器。

所述的直流高压电源为连续可调的，其输出纹波电压的最大值小于10毫伏的直流高压电源。

所述的直流高压电源也可以用数十节9伏积层电池串联而成。

所述的示波器为双通道电子示波器。

信号源、功率放大器和施力装置构成使极化过的铁电体样品产生压电电压信号的加力装置，低频正弦波交变力可以通过调节信号源的频率范围和功率放大器的输出幅度来实现；直流高压电源用于提供改变上述压电电压信号大小的反向电场；示波器则用于监视铁上述压电电压信号的变化情况。该测量系统由信号源输出的低频正弦波信号，经功率放大器放大后送施力装置产生一定幅度的低频正弦波交变力作用在铁电体样品上，然后，直流高压电源的输出电压经过一只串联电阻反向施加在铁电体样品两端(直流输出电压的极性与铁电体样品本身的极化电压相反)，由于正压电效应而产生出的低频正弦波压电电压信号的波形以及该波形在反向直流高压作用下的变化经隔直电容送示波器观察，从小到大调节直流高压电源的输出电压，使示波器上观察到的低频正弦波压电电压信号变为零并测量此刻直流高压电源的输出电压，然后用该电压值除以铁电体样品的厚度，便得到了所需要的矫顽场强度。

所述的施力装置，由本申请人在99年2月6日被授权的专利(专利号为：ZL97231420.2)改装而成，它包括有电磁驱动器、主壳体、定位导轨、导轨槽盖、定位滑块、调节杆、调节手轮、连接定位杆、圆型定位膜片、固定环、锁紧螺母、上下绝缘连接柱、上下导电焊片，上下探头和信号输入连接插座等，如图2所示的结构进行装配，构成一种专用的加力装置，它可以对一定高度、厚度或壁厚的片型、柱型、管型等常规形状的试样施加一定幅度的低频纵向作用力，除了用于铁电体矫顽场强度的测量外，也可为铁电体其它压电系数的测量提供所需的低频正弦波交变力。

所述的电磁驱动器，如图2所示，它包括有轭铁芯、外轭铁、轭铁底座、磁钢、线圈、定心支片、活塞等，按照施力装置内电磁驱动器部分的结构进行装配组成一种内磁式电磁驱动器，将电磁驱动器的线圈通以低频正弦波驱动信号，该线圈在由轭铁芯、外轭铁、磁钢形成的磁场中振动并推动活塞纵向运动，调节正弦驱动信号的频率和幅度可得到特定频率和大小的作用力。

本发明的优点在于：本发明铁电体矫顽场强度的测量方法及其系统，在测量中对样品施加的是直流高压电场，而不是交流高压电场，因此不会出现Sawyer-Tower回路测量过程中由于对铁电体样品施加低频高压而产生滞后损耗造成电滞回线畸变导致矫顽场强度难以测准的情况，因此，对铁电体矫顽场强度的测量精度比Sawyer-Tower回路的测量精度高。

本发明测量系统中的施力装置不只适用于铁电体矫顽场强度的测量，还可用于铁电体其它性能参数的测量以及作为及其它场合使用的正弦波交变力源。

附图说明

图1为本发明铁电体矫顽场强度的测量方法的原理图

图2为本发明铁电体矫顽场强度的测量系统的具体实施例结构示意图

图面说明

1-信号源           2-功率放大器            3-直流高压电源

4-示波器           5-电阻                  6-隔直电容

7-施力装置         8-主壳体                9-定位导轨

10-导轨槽盖        11-定位滑块             12-调节杆

13-调节手轮        14-连接定位杆           15-圆型定位膜片

16-固定环          17-锁紧螺母             18-上绝缘连接柱

19-下绝缘连接柱    20-上导电焊片           21-下导电焊片

22-上探头          23-下探头               24-信号输入连接插座

25-轭铁芯          26-外轭铁               27-轭铁底座

28-磁钢            29-线圈                 30-定心支片

31-活塞

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发明的方法和系统。

如图1所示，本实施例的测量方法使用的系统，包括施力装置7，铁电体试样夹在施力装置7的上探头22和下探头23之间，直流高压电源3的正极通过一只串联电阻连接下探头23上的下导电焊片21，直流高压电源3的负极连接上探头22上的上导电焊片20，下导电焊片21经过隔直电容6接入示波器4的输入端口，上导电焊片20连接在示波器4的接地端。本例中，直流高压电源由50节9V积层电池组组成，示波器选用的是V-212型20MHz示波器，另外，电阻5为1兆欧姆，作用是为了防止被测试样的压电电压信号被直流高压电源的输出内阻所短路，隔直电容6为1微法，作用是为了在示波器测量压电电压信号时隔去直流高压。

此前，信号源1的输出端通过电缆与功率放大器2的输入端电连接，功率放大器2的输出端通过电缆连接到施力装置7的信号输入连接插座24上；本例中，信号源1为5020A函数发生器，功率放大器2为FDS-3型功率放大器，这样，5020A函数发生器输出的正弦波信号经FDS-3型功率放大器放大后送到电磁驱动器中线圈29的两端，产生出低频正弦波交变力作用到被测试样上。

本实施例所用的施力装置的具体结构，如图2所示，包括两个部分：对不同试样的机械夹持部分8-23和电磁驱动部分25-31；机械夹持部分包括一垂直放置的圆管型主壳体8，主壳体8的上端口有一内圆台阶，内圆台阶上通过固定环16将圆型定位膜片15的边缘压住，主壳体8的侧面装有一定位导轨9，在定位导轨9中平行设置有导轨槽和螺孔，直角型定位滑块11的垂直部分在定位导轨9的导轨槽内，由导轨槽盖10扣住，在定位滑块11拐角处的水平部分有一垂向圆孔，调节杆12上端的光滑部分穿过圆孔并通过一卡盘定位在定位滑块11的水平部分以相对转动，且调节杆12光滑部分的顶端与调节手轮13连接，调节杆12下端的螺纹部分与定位导轨9上的螺孔相配合，这样，转动调节手轮13使得定位滑块11可以随着调节杆12一起上下滑动。

定位滑块11的水平部分的前端位于主壳体8中心的正上方，在前端垂直向下依次安装绝缘连接柱18、上导电焊片20和上探头22；对应于此，其下方从上到下依次将下探头23、下导电焊片21和下绝缘连接柱19安装在连接定位杆14的上端，该连接定位杆14用一锁紧螺母17固定在圆型定位膜片15的中心孔上，连接定位杆14的下端固定在电磁驱动器活塞31的上表面，这样的结构可以使电磁驱动器活塞的31通过连接定位杆14推动下探头23做单方向的上下运动。

电磁驱动部分25-31通过轭铁底座27固定在主壳体8的下端面，其中，轭铁芯25与磁钢28粘在一起后固定在轭铁底座27的中心，外轭铁26同轴固定在轭铁底座27上，使轭铁芯25与外轭铁26之间形成一均匀的圆环形间隙，由于磁钢28的作用，圆环形间隙实际上是一个磁场间隙，线圈29的上端与活塞31的下表面固定在一起，线圈29的四周粘贴一圆环状的定心支片30，该定心支片30的四周粘贴在外轭铁26圆台端面上，使得线圈29和外轭铁26之间形成软连接，以保证线圈29的下端自由垂挂在磁场间隙中，线圈29的两端的引线与施力装置主壳体8上的信号输入连接插座24相连接，整个装置中的绝缘连接柱18、上探头22、下探头23、下绝缘连接柱19、圆型定位膜片15、连接定位杆14、活塞31、线圈29、外轭铁26、轭铁芯25、磁钢28、定心支片30均同轴固定，这样，当在两根引线之间通入正弦波电压驱动信号时，由于电磁感应现象线圈29在上述的磁场间隙中上下反复运动，从而推动活塞31做垂直反复运动。

本实施例的具体工作过程为：

首先将极化过的被测铁电体样品(以下简称：试样)放置在施力装置上、下探头22、23之间，试样的极性与电池组3所提供的电场方向相反(在本例中，试样的正极面朝下)，旋转调节手轮13将其夹住，打开5020A函数发生器1，选择正弦波信号输出，调节正弦波的输出频率为100Hz左右，调节正弦波的输出幅度或FDS-3型功率放大器2的输出幅度使施力装置产生低频正弦波交变力作用在被测试样上，并且直接从示波器4上观察由于正压电效应而产生的低频正弦波压电电压信号，该信号大致为百毫伏量级(可通过调节5020A函数发生器或FDS-3型功率放大器的输出幅度来实现)。

然后，由小到大逐渐增加电池组3的输出电压(对试样施加直流高压电场)，并且同时从V-212型示波器4上观察由于试样受力而产生出的压电电压信号在直流高压电场下的变化，试样的压电电压信号将随着直流反向电场的增大而逐渐变小，当试样的压电电压信号变为零的时刻，读出或测量出电池组3的输出电压值，然后再除以试样的厚度，便得到了试样的矫顽场强度。

当试样的极性不详时，可以先假设试样的一面为正极插入施力装置中，按照上述的步骤操作，如果在直流电场作用下试样的压电电压信号变小则说明假设的极性正确，可以继续操作，测量得到其矫顽场强度。如果在直流电场作用下试样的压电电压信号变大或者不变则说明试样的极性反了，这时只要将试样从施力装置中取出，翻一个面再重新插入施力装置后测量即可。