[发明专利]测量铁电材料压电常数回线和介电常数回线的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁电与压电材料测试技术领域，尤其涉及一种同时测量铁电材 料压电常数回线和介电常数回线的装置和方法。

背景技术

铁电与压电材料是一类重要的、国际竞争极为激烈的高技术材料，在信息、 激光、导航和生物等高技术领域应用广泛。由于其具有较高的力电转换效率及 良好的性能可调控性，因而在汽车的点火启动装置、航空航天自适应机翼的控 制、微小马达以及微机电系统(MEMS)，都离不开铁电与压电材料。对于钙 钛矿结构的铁电材料，其电性能的测量与表征，主要包括大测试信号的电滞回 线(极化强度-电场回线)，以及应变回线(应变-电场回线)；同时也包括小测 试信号的压电常数回线(压电应变常数d₃₃-直流电场回线)和介电常数回线(ε₃₃- 直流电场回线)。

小测试信号回线的测量是在大直流测试信号回线的测量过程中附加一个 小的交流信号测试铁电材料的压电常数和介电常数，并进行周期测量以形成回 线。对于一定直流偏压电场情况下的小交流信号引起的应变测量，现有的测量 方法包括激光干涉法、光纤法、差动变压器式位移传感器等。对于频率较高的 交流信号，光纤法比较有效。

小测试信号的压电常数回线和介电常数回线相比大测试信号的电滞回线 和应变回线，可以更好地表征铁电压电材料的性能参数及其使用过程中的变化 情况；同时测量铁电材料的压电常数回线和介电常数回线也非常有意义。另外， 在与铁电材料可靠性相关的疲劳研究过程中，同时测量小信号下的压电性能参 数和介电性能参数的变化对于揭示铁电体力电失效机理相当重要。

目前国内还没有同步测试压电常数回线和介电常数回线的测试系统。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中所描述的目前铁电材料测试技术领域存 在的问题，提出了一种同时测量铁电材料压电常数回线和介电常数回线的装置 和方法。

所述装置包括测试信号输出、压电常数回线和介电常数回线测量以及设备 控制与数据采集处理三个部分，其特征在于，所述测试信号输出部分由直流信 号输出部分和交流信号输出部分组成，其中：

直流信号输出部分包括直流高压源、示波器和开关，直流高压源分别与示 波器和计算机相连，并通过开关与标准电容一(201)相连；

交流信号输出部分包括交流电源和变压器，交流电源分别与计算机和变压 器相连，变压器与标准电容一相连；

所述压电常数回线和介电常数回线测量部分包括标准电容一、标准电容二 (203)、待测样品和光纤传感器，标准电容二与待测样品在电路中串联构成测 试电路，标准电容一与该测试电路并联，光纤传感器与待测样品相连；

所述设备控制与数据采集处理部分包括锁相放大器和计算机，锁相放大器 分别与标准电容二、光纤传感器以及计算机相连。

所述标准电容一的电容值为4μF-10μF，耐压2000V。

测量铁电材料压电和介电常数回线的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：直流高压源给标准电容器一充电，然后通过该电容放电至待测样 品和标准电容二组成的测试电路两端；

同时，交流电源提供小的正弦测试信号并通过变压器施加于测试电路；

步骤二：通过锁相放大器采集标准电容二两端电压信号；

通过光纤传感器采集待测样品应变并转化为电压信号，并使用锁相放大器 对电压信号进行采集；

步骤三：将上述信号输入到计算机中，经过计算处理输出压电常数回线和 介电常数回线的图像和数据文件。

所述标准电容二的电容值约1μF，远大于待测样品的电容量。

所述直流高压源产生的直流电压每步间隔为50V-200V，直流电压的施加 时间为2s-8s。

所述交流电源包括交流信号发生器和交流信号放大器。

所述交流信号发生器产生交流电压1V-5V，频率为100Hz-2kHz，经过交 流信号放大器放大后电压范围为10V-200V。

所述压电常数回线或介电常数回线的测量时间周期为500s-800s。

所述介电常数的测量采用Sawyer-Tower电路。

本发明的有益效果是：

1.采用相对简单的由待测样品和标准线性电容串联组成电路测量压电常 数回线和介电常数回线。