压电材料切向压电应变常数准静态法测量系统及方法

摘要

本发明涉及一种压电材料d

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电材料压电常数的测量方法，特别是涉及一种压电材料的切向压电应变常数(简称d₁₅压电常数)准静态法测量用加力部件和测量系统及方法。

背景技术

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d₃₃纵向压电应变常数，d₃₁横向压电应变常数和d₁₅切向压电应变常数等，对于d₁₅切向压电应变常数的测量，以往采用动态法进行(具体方法可参见IEEE标准：IEEE Standard on Piezoelectricity，ANSI/IEEE Std.176-1987，国家标准：GB/T3389.6-1997压电陶瓷材料性能测试方法，长片厚度切变振动模式)，动态法测量d₁₅切向压电应变常数是通过测量压电被测试样的谐振和反谐振频率后，再经过计算而得到的，是目前国内外通常使用的一种方法。但动态法是一种间接测量方法，而且测试过程烦琐，计算复杂，测量中要求满足一定的边界条件，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：尺寸比例：长、宽、厚为12:6:1)，所以实用性较差。

准静态法是上世纪八十年代前后出现的一种测量压电材料压电常数的方法，它通过对压电被测试样施加低频作用力和测出压电被测试样由压电效应而产生出的低频压电电荷而得到其压电常数，由于测量中对压电被测试样施加的作用力频率远低于压电被测试样自身的谐振频率(接近于静态)，故被称为准静态，该方法具有测量精确度较高、重复性好、操作简单和适用性强等特点，先后被应用在压电元件d₃₃纵向压电应变常数和d₃₁横向压电应变常数的测量中。但由于过去一直找不到一种理想的对压电被测试样施加切向低频作用力的方法，也就无法通过测量切向压电电荷而得到其d₁₅切向压电常数，结果导致在压电常数准静态测量方法问世二三十年来，只能应用于压电元件d₃₃纵向压电应变常数和d₃₁横向压电应变常数的测量，而不能解决压电元件d₁₅切向压电常数的测量，因此寻找一种简单实用和能够直接测量压电元件d₁₅切向压电应变常数的方法和装置，是本技术领域人员要攻破的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于：为克服以往动态法测量压电材料d₁₅压电常数测试过程烦琐，实用性差的缺陷，提供一种基于准静态法测量原理(对压电被测试样施加低频作用力和测出压电被测试样在该作用力作用下由压电效应产生出的低频压电电荷而得到其压电常数)的压电材料d₁₅切向压电常数测量系统装置和方法，该测量系统结构简单、操作方便，不但能够满足测量准确度的要求，而且易于实现和推广。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种压电材料切向压电应变常数准静态法测量系统，由切向加力部件1-00、施力装置2-00和电路部分3-00组成(分别参见图1、图2和图3)；所述的施力装置2-00和电路部分3-00可直接选用目前国内外本技术领域中普遍采用的准静态法d₃₃测量仪产品(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)，并按照原准静态法d₃₃测量仪的要求由两根多芯电缆4-01和4-02相互连接(参见图4)，其中多芯电缆4-01将电路部分3-00中功率放大器3-02的输出与施力装置2-00中电磁驱动器2-07的输入相连，另一根多芯电缆4-02将来自施力装置2-00中的“被测”与“比较”两路信号分别接入电路部分3-00中的第一前置放大器3-03和第二前置放大器3-04；其特征在于，所述的加力部件1-00，包括受力加压固定部件和受力加压件1-02；所述的受力加压固定部件由一受力加压固定支架1-01、固定框架1-03、固定轴1-04、调节螺栓1-05、绝缘套1-06、第一定位轴套1-07和第二定位轴套1-08组成；其中所述的受力加压固定支架1-01为L形金属杆，所述的L形金属杆的竖杆内面为对压电被测试样施加作用力的加力端面，该L形金属杆的竖杆中部开有一个与其加力端面相平行的横向轴孔1-13，在横梁外端面开有一水平半圆凹槽1-09，使用时作为受力和电极端面可以方便地进行横向移动；

所述的固定框架1-03为门框形结构，所述的门框形结构的横梁中心位置有一垂直螺孔，该门框形结构两个立柱末端各有一平行于横梁的水平轴孔；所述的调节螺栓1-05的螺纹部分与固定框架1-03横梁中心位置的垂直螺孔相配合，由外向内旋入后末端再安装上绝缘套1-06；所述的固定轴1-04与所述的受力加压固定支架1-01竖杆中部的横向轴孔1-13和左边的第一定位轴套1-07及右边的第二定位轴套1-08为轴配合，先由固定轴1-04依次穿在一起后再被安装在固定框架1-03两个立柱末端的水平轴孔之间；

所述的受力加压件1-02也为L形金属杆，所述的L形金属杆的竖杆内面为对压电被测试样施加作用力的另一个加力端面，该L形金属杆的竖杆外面中间偏下位置开有一个半球形凹槽1-11，使用时与绝缘套1-06的半球形结构相配合，L形金属杆的横梁外端面开有一水平半圆凹槽1-10，使用时也作为受力和电极端面可以方便地进行横向移动。

在上述的技术方案中，所述的绝缘套1-06由绝缘材料制成，为圆柱加半球形结构，且圆柱一端的中心位置有一个螺孔与调节螺栓1-05的螺纹相配合。

在上述的技术方案中，所述的第一定位轴套1-07和第二定位轴套1-08完全一样，两者长度之和再加上受力加压固定支架1-01的宽度与固定框架1-03门框内的宽度相同。

所述的切向加力部件1-00只需安放在准静态d₃₃测量仪中的施力装置2-00上就可容易地实现作用力的转换，它能把准静态d₃₃测量仪中施力装置2-00上产生的纵向低频作用力转换为d₁₅切向压电应变常数测量时所需要的切向低频作用力施加在压电被测试样上，然后，不需要做任何修正直接由准静态d₃₃测量仪的电路部分3-00中得到压电被测试样的d₁₅切向压电应变常数测量结果。

本发明提供的测量d₁₅切向压电应变常数的方法，包括如下步骤：

1.将压电被测试样1-12放在切向加力部件1-00中受力加压固定支架1-01的加力端面上，再用受力加压件1-02的加力端面压住，此时受力加压件1-02的L形金属杆应与受力加压固定支架1-01的L形金属杆方向相反而放置，旋转固定框架1-03使得其横梁位于受力加压件1-02的竖杆外面，并将调节螺栓1-05对准受力加压件1-02竖杆外面的半球形凹槽1-11，旋转调节螺栓1-05，使得其末端绝缘套1-06的半球头嵌入受力加压件1-02的半球形凹槽1-11内，并紧紧顶住受力加压件1-02的竖杆，将压电被测试样1-12牢牢固定在受力加压固定支架1-01与受力加压件1-02的两个加力端面之间(如图1所示)。

2.按照原准静态法d₃₃测量仪的要求用多芯电缆4-01和4-02连接好施力装置2-00和电路部分3-00，将装好压电被测试样1-12的切向加力部件1-00放置在施力装置2-00中的上测试探头2-01和下测试探头2-02之间，水平移动切向加力部件1-00，使施力装置2-00中的上测试探头2-01和下测试探头2-02之间的连线对准切向加力部件1-00中被夹住的压电被测试样1-12的厚度中心位置，然后通过旋转调节手轮2-03将该切向加力部件1-00夹紧(参见图5)。

3.接通电源，电路部分3-00中的振荡器3-01起振，输出低频正弦波信号经功率放大器3-02放大后再经连接电缆4-01送至施力装置2-00中的电磁驱动器2-07产生低频纵向振动，并通过振动活塞2-08将纵向低频作用力同时施加在施力装置2-00中的内部比较样品2-05和夹在上测试探头2-01及下测试探头2-02之间的切向加力部件1-00上，切向加力部件1-00把所受到的纵向低频作用力转换成为切向低频作用力施加在压电被测试样1-12上，由正压电效应在内部比较样品2-05上产生出纵向压电电荷以及在压电被测试样1-12上产生出切向压电电荷，它们通过连接电缆4-02送至电路部分3-00进行放大和处理，最终得到压电被测试样1-12的d₁₅切向压电应变常数。

本发明提供d₁₅切向压电常数测量原理是，利用准静态法d₃₃测量仪的施力装置2-00产生出纵向低频作用力直接施加在内部比较样品2-05(准静态法d₃₃测量仪的原有功能)和通过切向加力部件1-00转换成切向低频作用力施加在压电被测试样1-12上，压电被测试样1-12和内部比较样品2-05由于正压电效应产生出切向压电电荷Q₁和纵向压电电荷Q₂，它们被送至电路部分3-00中并联了相同电容C的第一前置放大器3-03和第二前置放大器3-04的输入端后，分别转换为对应的压电电压信号V₁和V₂，根据压电材料在满足恒定电场条件下压电常数的表达式，压电被测试样1-12的切向压电应变常数d₁₅＝Q₁/F₅＝C*V₁/F₅，内部比较样品2-05的纵向压电常数d₃₃＝Q₂/F₃＝C*V₂/F₃，其中F₃为内部比较样品2-05所受到的纵向低频作用力，F₅为压电被测试样1-12所受到的切向低频作用力，由于在本发明提供的测量方法中，切向加力部件1-00与内部比较样品2-05力学上串联，所受作用力同为纵向低频作用力F₃，而切向加力部件1-00中的压电被测试样1-12在此过程中受到的作用力分别为静态夹持力F₁和切向低频作用力F₅(参见图6)，其中切向低频作用力F₅是由纵向低频作用力F₃通过切向加力部件1-00转换得到，幅度与F₃相同，而静态夹持力F₁由于与切向低频作用力F₅相垂直，不会对压电被测试样1-12在受到切向低频作用力F₅作用后由压电效应而产生的切向压电电荷数量产生影响，因此，压电被测试样1-12的切向压电应变常数d₁₅与内部比较样品2-05的纵向切向压电常数d₃₃的比值可以表示为：d₁₅/d₃₃＝(C*V₁/F₅)/(C*V₂/F₃)，由于纵向低频作用力F₃与切向低频作用力F₅幅度相同，上式可化简为：d₁₅＝d₃₃*(V₁/V₂)，即：压电被测试样1-12的d₁₅压电常数可以由内部比较样品2-05的d₃₃压电常数和“被测”与“比较”两路压电电压比值的乘积来得到，而在准静态d₃₃测量仪电路部分3-00中，数据处理部分3-05的功能就是计算来自“被测”与“比较”两路的第一前置放大器3-03和第二前置放大器3-04的输出电压比值与内部比较样品2-05固有d₃₃压电常数的乘积。因此，按上述方法操作后准静态法d₃₃测量仪所给出的测量结果，实际上就是我们需要的压电被测试样1-12的d₁₅切向压电常数准静态法测量结果。

应用本发明设计制作的能够对压电元件施加切向作用力的切向加力部件1-00参见实施例1；由本发明提供的压电材料准静态法d₁₅切向压电应变常数测量系统装置参见实施例2；采用本发明提供的测量系统测量压电元件的d₁₅切向压电应变常数的方法参见实施例3。

本发明的优点在于：

仅通过提供一套简单易行的切向加力部件1-00，就能把压电被测试样d₁₅切向压电常数准静态法测量中所必需且过去难以实现的切向低频作用力从目前易于实现的纵向低频作用力中转换得到，对于本技术领域的人员而言，一般不再需要另外加工用于产生纵向低频作用力的施力装置2-00和设计组装提供力驱动的电信号、放大压电电荷的前置放大器以及进行数据处理和显示的电路部分3-00，只要利用已有的准静态法d₃₃测量仪(该仪器在本技术领域已被广泛使用，成为必备仪器)和本发明所提供的切向加力部件1-00，就能组成一种准静态法测量压电材料d₁₅切向压电应变常数的系统装置，本发明给出的压电材料d₁₅切向压电应变常数的测量方法简单实用，测量结果可靠，易于推广普及，不但比目前使用的动态法测量d₁₅切向压电常数的操作简单很多，而且对于块型、条型、方(长方)片型一类压电被测试样长、宽、厚度之间的尺寸比例基本上无特殊要求，适用性更强。此外，本发明中的给出的切向加力部件1-00除了可以用于压电材料d₁₅切向压电应变常数的测量使用外，还可以用于压电材料其它如d₁₄、d₁₆、d₂₄、d₂₅、d₂₆、d₃₄、d₃₅、d₃₆等各种切向压电应变常数的测量。

附图说明

图1本发明中的切向加力部件结构示意图

图1a本发明中的受力加压固定部件结构示意图

图1b本发明中的受力加压件结构示意图

图2本发明中的施力装置结构示意图

图3本发明中的电路部分结构示意图

图4本发明中的电路部分和施力装置的连接示意图

图5本发明所给出的d₁₅切向压电常数准静态法测量系统示意图

图6本发明中压电被测试样在测量中的受力分析示意图

图面说明：

1-00—切向加力部件                1-01—受力加压固定支架

1-02—受力加压件                  1-03—固定框架

1-04—固定轴                      1-05—调节螺栓

1-06—绝缘套                      1-07—第一定位轴套

1-08—第二定位轴套                1-09—水平半圆凹槽

1-10—水平半圆凹槽                1-11—半球形凹槽

1-12—压电被测试样                1-13—横向轴孔

2-00—施力装置                    2-01—上测试探头

2-02—下测试探头                  2-03—调节手轮

2-04—内部比较样品上探头          2-05—内部比较样品

2-06—内部比较样品下探头          2-07—电磁驱动器

2-08—振动活塞

3-00—电路部分                    3-01—振荡器

3-02—功率放大器                  3-03—第一前置放大器

3-04—第二前置放大器              3-05—数据处理部分

3-06—显示                        3-07—电源

4-01—多芯电缆                    4-02—多芯电缆

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明的测量系统和方法

实施例1

参考图1、图1a和图1b，制作一个能够应用作用力转换原理而对压电元件施加切向作用力的切向加力部件1-00。

本实施例中的切向加力部件1-00由受力加压固定支架1-01，受力加压件1-02，固定框架1-03，固定轴1-04，调节螺栓1-05，绝缘套1-06，第一定位轴套1-07和第二定位轴套1-08组成，其中受力加压固定支架1-01和受力加压件1-02均为L形金属杆，由硬铝、不锈钢或铜等金属材料制作，它们各自L形金属杆的竖杆内面为对压电被测试样施加作用力的加力端面，要求加工得平整和光滑，它们各自L形金属杆的横杆外面，分别开有一水平半圆凹槽1-09和1-10，由于使用时作为受力端面和电极并且需要水平移动，因此也要求凹槽表面加工得光滑，在受力加压固定支架1-01的竖杆中部开有一个与其加力端面相平行的横向轴孔1-13，在受力加压件1-02的竖杆外面中间偏下位置开有一个半球形凹槽1-11；固定框架1-03为门框形结构，可用与受力加压固定支架1-01和受力加压件1-02相同的金属材料制作，其门框横梁中心位置有一垂直螺孔，门框两个立柱末端还各有一平行于横梁且直径相同的轴孔；调节螺栓1-05可选用头部为圆柱或圆盘形且圆周曲面带有条纹滚花结构的标准件，以便于手动旋转，其螺杆直径和螺距与固定框架1-03横梁中心位置上的垂直螺孔相匹配；绝缘套1-06用聚四氟乙烯材料制成，也可以用尼龙、硬塑料等绝缘材料制作，外形为圆柱加半球头结构，其圆柱一边的平面中心位置有一个螺孔并且与调节螺栓1-05的螺纹相配合，其半球头的直径与受力加压件1-02上的半球形凹槽1-11相配合；调节螺栓1-05从固定框架1-03的横梁由外向内旋入后，末端再将绝缘套1-06安装及拧紧；固定轴1-04与固定框架1-03的两个立柱末端轴孔为紧配合，与L形金属杆受力加压固定支架1-01上的横向轴孔1-13以及第一定位轴套1-07和第二定位轴套1-08的内孔为轴配合，把L形金属杆受力加压固定支架1-01通过竖杆中部的横向轴孔1-13和左边的第一定位轴套1-07以及右边的第二定位轴套1-08用固定轴1-04穿在一起后再安装在已装好调节螺栓1-05和绝缘套1-06的固定框架1-03的两个立柱末端之间，使得固定框架1-03可以灵活的围绕L形金属杆受力加压固定支架1-01旋转，这样切向加力部件1-00中的受力加压固定部分就装配完毕，再与按前述要求加工好的L形金属杆受力加压件1-02一起，就组成了一套能够实现作用力转换的切向加力部件1-00，将压电被测试样1-12放入切向加力部件1-00中固定后，再对切向加力部件1-00中的两个受力端面(水平半圆凹槽1-09和1-10)之间施加纵向低频作用力(参见图1)，那么，切向加力部件1-00中的压电被测试样1-12就能容易的得到由纵向低频作用力而转换成的切向低频作用力。

实施例2

参考图5建立一套压电元件d₁₅切向压电应变常数准静态法测量使用的系统装置，本实施例所给出的测量压电元件d₁₅切向压电应变常数的系统装置由切向加力部件1-00、施力装置2-00和电路部分3-00组成；其中所述的切向加力部件1-00直接应用实施例1的(参见图1)，施力装置2-00和电路部分3-00直接选用目前国内外常用的ZJ系列准静态d₃₃测量仪，如ZJ-3、ZJ-4系列准静态d₃₃测量仪、ZJ-6系列准静态d₃₃/d₃₁测量仪、或者是其它采用比较法原理的准静态d₃₃测量仪等产品，其中的施力装置2-00主要包含有上测试探头2-01和下测试探头2-02、调节手轮2-03、内部比较样品上探头2-04、内部比较样品2-05、内部比较样品下探头2-06、振动活塞2-08和电磁驱动器2-07等主要部件，他们自上而下串联安装，上测试探头2-01可以通过旋转调节手轮2-03上下移动(参见图2)；电路部分3-00主要由振荡器3-01、功率放大器3-02、第一前置放大器3-03、第二前置放大器3-04、数据处理部分3-05、结果显示3-06和电源3-07等组成(参见图3)。

ZJ系列准静态d₃₃测量仪的施力装置2-00和电路部分3-00之间按照原准静态d₃₃测量仪器的要求通过两根多芯电缆4-01和4-02连接好(参见图4)，再按实施例1的要求组装好切向加力部件1-00，这样，由ZJ系列准静态d₃₃测量仪的施力装置2-00、电路部分3-00和切向加力部件1-00三部分一起共同构成了一套简单实用的准静态法测量压电元件d₁₅切向压电应变常数的系统装置。

实施例3

采用本发明提供的测量系统来测量压电元件d₁₅切向压电应变常数的具体方法。

本实施例中的压电被测元件1-12为PZT型压电陶瓷材料制作的长方片，长度为15mm、宽度为10mm、厚度为2mm(对本测量系统而言：对压电被测元件的长、宽、厚无过多的限制，只要能夹在实施例1给出的切向加力部件中1-00即可)，首先在长方片压电被测元件5mm×2mm的两个平面上制备极化电极和进行极化，然后将原极化电极除去，再在15mm×10mm的两个平面上重新制备测量电极(上述的压电被测试样1-12的极化和电极工艺为本技术领域中熟知的测量d₁₅切向压电常数测试样品的制作工艺)。

将准备好的压电被测元件1-12放入切向加力部件1-00中受力加压固定部分的受力加压固定支架1-01和受力加压件1-02的两个加力端面之间(压电被测元件1-12中15mm×10mm的电极平面与加力端面相接触)，将受力加压固定部分中的固定框架1-03翻转到受力加压件1-02的竖杆背面，使横梁中心的调节螺栓1-05末端对准受力加压件1-02竖杆上的半球形凹槽1-11，旋转调节螺栓1-05使其末端的绝缘套1-06嵌入受力加压件1-02竖杆上的半球形凹槽1-11内，顶住受力加压件1-02的竖杆并固定住压电被测元件1-12。

将装入压电被测元件1-12的切向加力部件1-00垂直放置在ZJ系列准静态d₃₃测量仪施力装置2-00中的上测试探头2-01和下测试探头2-02之间，切向加力部件1-00中的水平半圆凹槽1-09与施力装置2-00中的下测试探头2-02相接触，切向加力部件1-00中的水平半圆凹槽1-10与施力装置2-00中的上测试探头2-01相对应(或者反过来切向加力部件1-00中的水平半圆凹槽1-09与施力装置2-00中的上测试探头2-01相对应，切向加力部件1-00中的水平半圆凹槽1-10与施力装置2-00中的下测试探头2-02相接触)，旋转调节手轮2-03调整上测试探头2-01的位置将切向加力部件1-00轻轻夹住，然后水平移动切向加力部件1-00使得其中夹住的压电被测元件1-12的厚度中心与施力装置2-00中的上测试探头2-01和下测试探头2-02之间的连线基本对准，再次旋转调节手轮2-03调整上测试探头2-01将切向加力部件1-00夹紧(参见图5)。

打开ZJ系列准静态d₃₃测量仪电源开关，施力装置2-00产生出纵向低频作用力作用在内部压电比较样品2-05和切向加力部件1-00上，切向加力部件1-00又把受到的纵向低频作用力转换为幅度相同的切向低频作用力作用在夹住的压电被测元件1-12上，内部压电比较样品2-05和压电被测元件1-12由于受到方向不同而幅度相同的外力作用而产生出的纵向低频压电电荷和切向低频压电电荷送至ZJ系列准静态d₃₃测量仪电路部分3-00中进行转换、放大和按照内部压电比较样品2-05的d₃₃纵向压电常数值乘以待测压电被测元件1-12和内部压电比较样品2-05两者低频压电电压比值的公式进行计算处理，在此过程中压电被测元件1-12由于压电效应得到的低频压电电压为切向低频压电电压，因而，由ZJ系列准静态d₃₃测量仪中电路部分3-00计算处理后所给出的显示结果实际上就是本实施例中所需要的压电被测元件1-12的d₁₅切向压电常数测量结果，因此，不需做任何修正可直接读取使用。