[发明专利]适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d33

说明书

本发明公开了一种适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d₃₃的温控激振系统及方法，该温控激振系统包括压电式加速度传感组件、温度控制箱、激振单元、信号采集单元以及数据处理器。本发明通过将待测压电陶瓷与配重质量块一起组装成待测压电式加速度传感器(原型器件)，与标准压电式加速度传感器一起置于高温箱中感受激振器给予的振动，根据传感器的电荷灵敏度来反算待测压电陶瓷的d₃₃；再通过改变振动频率、振动加速度幅值和环境温度值即可得到样品在不同频率、不同载荷及不同温度下的d₃₃。本发明有效弥补了一般电测法只能测量压电陶瓷在室温/110Hz/0.25N三个固定条件下d₃₃的不足，并且还可实时观测压电陶瓷随时间进程输出的电荷响应曲线，有助于研究分析材料的动态压电响应特性。

技术领域

本发明属于电学性能测试技术领域，涉及用于压电陶瓷材料的电学性能测试，尤其涉及适用于在不同温度、频率和载荷下原位实测压电陶瓷d₃₃的温控激振系统及其测量方法。

背景技术

压电陶瓷能够实现电能和机械能的相互转换，可以制作成传感器、驱动器、变压器、换能器等各类电子器件，广泛应用于航空航天、通讯电子、汽车工业等装备制造领域，是现代化工业体系中一种重要的电子功能材料。近年来，随着无线传感器网络的发展，高温环境中的传感器能量自供给问题日益成为发动机、内燃机、核反应堆等重大装备重要部位自检测、传感与通讯亟需解决的技术问题，并且装备的高功率输出还迫使其运转不断向着高频率、高载荷方向发展，因此迫切需要在高温、高频、高载荷环境下仍然能够保持压电性能稳定的压电材料。

压电系数是表征压电材料在压力下产生极化强弱(电压大小)的常数，它也反映了压电材料弹性(机械)性能与介电性能之间的耦合关系。其中纵向压电应变系数(d₃₃)是表征压电材料压电性能最常用的重要参数之一，下标中的第一个数字指的是电场方向，第二个数字指的是应力或应变的方向，“33”表示极化方向与测量时的施力方向相同。

d₃₃一般基于电测法原理使用准静态压电系数测试仪来测试，其计算公式为：d₃₃＝Q/F，Q(单位：pC)为压电材料在动态应力F(单位：N)作用下产生的电荷量。但该方法存在一定的不足：首先是此方法受仪器设计限制只能测试固定频率(一般为110Hz)和固定载荷(一般为0.25N)下的d₃₃；其次，通用型准静态压电系数测试仪夹持样品的夹头既承担着施加应力载荷的功能，还承担着传递电荷信号的功能。由于内部含有电气元件，无法耐受高温，从而无法测量样品在不同温度下的d₃₃(即变温d₃₃或者d₃₃的温度跟随性)。因此，工程界只得采取将样品置于一定温度下退火、恢复到室温后再测量的“非原位”的办法来间接测量其变温d₃₃。最后，准静态压电系数测试仪的测量原理是通过并联一个大电容来采集压电陶瓷在一定测量时间内的平均输出电荷量(在仪器面板上显示d₃₃的测量值)，但无法实时观测压电陶瓷随时间进程输出的电荷响应曲线。

发明内容

针对目前基于电测法原理使用通用型准静态压电系数测试仪测试纵向压电应变系数(d₃₃)的不足，本发明的目的之一在于提供一种适用于压电陶瓷d₃₃的原位测量、并可实时观察其电荷响应曲线的温控激振系统，本发明的第二个目的是提供利用上述温控激振系统测量样品在不同温度、频率和载荷下的d₃₃，弥补一般电测法的不足。

本发明提供的适用于不同条件下原位实测压电陶瓷d₃₃的温控激振系统，包括压电式加速度传感组件、温度控制箱、激振单元、信号采集单元以及数据处理器；

所述压电式加速度传感组件包括由配重质量块和待测压电陶瓷组成的待测压电式加速度传感器和标准压电式加速度传感器；配重质量块、待测压电陶瓷和标准压电式加速度传感器同轴顺次叠置；