[发明专利]压电常数随温度连续变化的测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电常数的测量方法，具体地说，涉及一种用于对压电材料的压电常数在室温附近随温度连续变化的测量方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，是属于功能陶瓷材料的一种，也属于无机非金属材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务。

压电常数是压电陶瓷最重要的性能参数，压电常数越大，表示压电性能越好，即单位压力下能产生更多的电荷，或者单位电场下能产生更大的应力形变。影响压电常数的因素有很多，其中温度是主要影响因素之一。通常温度升高时，压电常数会降低，特别地，当温度升高到样品的居里温度时，压电效应消失，压电常数降为零，而且此过程中是不可逆的。因此，在实际应用中，必须避免压电陶瓷的工作温度升高到居里温度以上，通常每一种压电陶瓷器件都会严格限制其使用温度范围。然而，压电陶瓷在反复的温度变化下，其压电性能也会出现老化，因此，压电常数的温度稳定性成为影响其实际应用的主要指标之一。

为表征压电陶瓷的温度稳定性，目前采用的方案是进行热处理，即把样品放入炉子中升至某一温度保持一段时间，然后降到室温后测量其压电常数。作为典型的研究方法，参见杜鹃于2010年的博士论文“无铅压电陶瓷性能和温度稳定性的研究”，又有徐霞等于2000年发表的论文“偏铌酸铅压电陶瓷材料老化问题的探讨”，以及周飞等于2004年发表的论文“镍掺杂PMS_PZ_PT三元系压电陶瓷压电性能及其热老化行为的研究”，均是采用这种方法。目前在提高压电陶瓷温度稳定性方面有较多专利(如公开号为CN103539448A的中国专利申请、公告号为CN103693965B的中国专利等)，但在连续温度下表征压电常数方面尚无相关的文献及专利。

上述热处理方法中，热处理后压电常数的测量也是在室温下进行的，可以测量其老化程度，但却不能实时掌握压电陶瓷在偏离室温时的性能，即不能获得压电陶瓷在单次温度波动周期内的压电性能变化信息。

由上可知，现有的压电常数测量全都是在室温下测得，即所有测得的压电常数均是在某个温度点下测量的。其主要原因是测量压电常数的仪器较大，属于精密仪器，仪器的工作温度范围一般为0℃-40℃，若放于恒温箱中连续测量压电常数会损伤仪器的电子部件，降低精度、缩减使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对压电常数测量过程中存在的不能实际掌握压电陶瓷在偏离室温时的性能等上述问题，提供一种压电常数随温度连续变化的测量装置及测量方法，能够实时测得压电器件在偏离室温以上时的压电性能，可以在压电性能不低于某一性能指标下给出其精确的使用温度范围，适用于各种压电陶瓷，包括含铅压电陶瓷和无铅压电陶瓷。

本发明的技术方案是：一种压电常数随温度连续变化的测量装置，该装置包括电压源、压电参数测量仪和风向导向管，风向导向管的出风口端与压电参数测量仪相接，风向导向管内设有加热元件，该加热元件与电压源连接。采用电加热的方式，由电压源对加热元件进行加热，通过对电阻丝两端的电压U的控制，实现对热功率的控制，即其中，P为电压源功率，R为电压源电阻丝的阻值，U为加热与电压源电阻丝两端的电压值。该电压源可以实现功率从0到额定功率的连续变化。

进一步的，为了提高热能利用率，在所述风向导向管内的进风口端设有风机，在对样品进行测量时，可以实现把热源产生的大部分热量通过热对流和热辐射两种方式传递给样品，避免了单纯热辐射加热效率低下的特点。

作为优选，为了降低样品内部的温度不均匀性，并提高加热效率，所述的风向导向管设有两向或多向，且两向或多向风向导向管对称式并行排列，进行并行加热。

本发明还提供了一种压电常数随温度连续变化的测量方法，采用上述测量装置进行测量，其测量方法步骤为：