一種動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料高溫壓電系數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓電材料的測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料高溫壓電系數(shù) 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電材料（包含陶瓷和單晶）是實(shí)現(xiàn)機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換和耦合的一類(lèi)極其重要的 功能材料，在航空航天、電子信息、能源、先進(jìn)制造、醫(yī)療系統(tǒng)和武器裝備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng) 用。近年來(lái)，我國(guó)在航空航天、能源、醫(yī)療和空間技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，對(duì)其中關(guān)鍵功能 部件提出了越來(lái)越苛刻的要求。在一些領(lǐng)域應(yīng)用的壓電器件如聲波測(cè)井儀、超聲電機(jī)、高溫 壓電振動(dòng)傳感器等的一個(gè)共同特點(diǎn)就是工作環(huán)境溫度高，這就要求壓電材料在高溫下能穩(wěn) 定、可靠的工作。
[0003] 壓電系數(shù)是表征壓電材料性能的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T3389-2008和GB/T11309-1989,采用靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)方法都只能測(cè)量壓電材料在室溫時(shí) 的壓電系數(shù)。而對(duì)壓電材料在高溫時(shí)壓電系數(shù)的測(cè)量，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相應(yīng)的測(cè)試方法和 標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有成熟的測(cè)試裝置。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的通行替代方法是先將壓電材料樣品 在不同溫度下進(jìn)行退極化處理，待樣品冷卻至室溫后，采用靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)方法測(cè)量 其壓電系數(shù)，然后通過(guò)壓電系數(shù)的變化來(lái)評(píng)價(jià)壓電材料壓電性能的溫度穩(wěn)定性（Adv. Mater. 2005, 17:1261-1265)。該方法可在一定程度上通過(guò)壓電系數(shù)的變化來(lái)反映壓電材料 的溫度穩(wěn)定性，但是還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中實(shí)時(shí)測(cè)量高溫壓電系數(shù)的要求。因此，如何實(shí) 現(xiàn)在不同溫度下實(shí)時(shí)測(cè)量壓電材料的壓電系數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)其溫度穩(wěn)定性，是高溫壓電材料 及其相關(guān)器件研制過(guò)程中的關(guān)鍵難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法直接在高溫條件下測(cè)量壓電材料的壓電系數(shù)的技 術(shù)空白，本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料高溫壓電系數(shù)的方法。
[0005] 本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料高溫壓電系數(shù)的方法，包括： 1) 制備采用待測(cè)壓電材料作為壓電片的壓電加速度傳感器； 2) 將壓電加速度傳感器固定在振動(dòng)臺(tái)上； 3) 將壓電加速度傳感器加熱至規(guī)定溫度，并在該規(guī)定溫度下使得振動(dòng)臺(tái)輸出規(guī)定加速 度； 4) 測(cè)量出在規(guī)定溫度、以及規(guī)定加速度下傳感器輸出端的輸出電荷量，并根據(jù)電荷量 與壓電系數(shù)之間的關(guān)系式，計(jì)算得到壓電材料在規(guī)定溫度下的壓電系數(shù)。
[0006] 較佳地，當(dāng)單片待測(cè)壓電材料的壓電系數(shù)小于30pC/N時(shí)，制備采用并聯(lián)的多片待 測(cè)壓電材料作為壓電片的壓電加速度傳感器，并采用上述方法測(cè)量待測(cè)壓電材料在規(guī)定溫 度下的壓電系數(shù)。
[0007] 較佳地，并聯(lián)的多片待測(cè)壓電材料的壓電系數(shù)大于50pC/N。
[0008] 較佳地，壓電加速度傳感器包括壓縮式壓電加速度傳感器。
[0009] 較佳地，振動(dòng)臺(tái)選自符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18328-2001的振動(dòng)臺(tái)。
[0010] 較佳地，采用可升降式高溫加熱爐將壓電加速度傳感器加熱至規(guī)定溫度。
[0011] 較佳地，加熱壓電加速度傳感器的過(guò)程中，升溫速率為2~5°C/分鐘，在規(guī)定溫度 下保溫10~30分鐘后，再使得振動(dòng)臺(tái)輸出規(guī)定加速度。
[0012] 較佳地，輸出電荷量通過(guò)前置放大器后，再用于計(jì)算壓電系數(shù)。
[0013] 較佳地，所述電荷量與壓電系數(shù)之間的關(guān)系式包括：采用輸出電荷量與加速度計(jì) 算傳感器電荷靈敏度的公式、采用作用于壓電片的外力、壓電系數(shù)計(jì)算壓電片輸出電荷量 的公式、以及采用質(zhì)量塊的質(zhì)量和加速度計(jì)算施加于壓電片外力的公式。
[0014] 本發(fā)明的有益效果： 采用本發(fā)明所述方法可動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料在不同溫度時(shí)的壓電系數(shù)，克服了目前采用 傳統(tǒng)方法只能測(cè)量壓電材料在溫室時(shí)的壓電系數(shù)，而無(wú)法獲得不同溫度時(shí)的壓電系數(shù)的這 一關(guān)鍵難題，為壓電材料的實(shí)際高溫應(yīng)用起到了重要的推進(jìn)作用。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中采用的壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理 示意圖； 圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中測(cè)得的不同溫度下PNB壓電陶瓷的壓電系數(shù)； 圖3示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中測(cè)得的不同溫度下CBT壓電陶瓷的壓電系數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式 僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0017] 為了解決目前在實(shí)時(shí)原位測(cè)量壓電材料高溫壓電系數(shù)方面沒(méi)有相應(yīng)的測(cè)試方法 這一難題，本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料高溫壓電系數(shù)的方法，以滿(mǎn)足高溫壓電材 料及相關(guān)器件研制過(guò)程中對(duì)高溫電壓系數(shù)和溫度穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)要求，為壓電材料在高溫領(lǐng) 域的實(shí)際應(yīng)用起到了推進(jìn)作用。
[0018] 本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料高溫壓電系數(shù)的方法，該測(cè)試方法基于下述 電學(xué)和力學(xué)的基本原理。
[0019] 圖1為壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理示意圖。其工作原理是，在測(cè)量時(shí)，將傳 感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊 的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此，質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振 動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變電 壓。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦 即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器就可以用相 應(yīng)的測(cè)量?jī)x器測(cè)出試件的加速度等參數(shù)。
[0020] 壓電加速度傳感器的靈敏度是指其輸出電量（電荷或者電壓）與輸入量（加速 度）的比值，是表征傳感器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。常用電荷靈敏度s q表示，即
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料高溫壓電系數(shù)的方法，其特征在于，包括： 1) 制備采用待測(cè)壓電材料作為壓電片的壓電加速度傳感器； 2) 將壓電加速度傳感器固定在振動(dòng)臺(tái)上； 3) 將壓電加速度傳感器加熱至規(guī)定溫度，并在該規(guī)定溫度下使得振動(dòng)臺(tái)輸出規(guī)定加速 度； 4) 測(cè)量出在規(guī)定溫度、以及規(guī)定加速度下傳感器輸出端的輸出電荷量，并根據(jù)電荷量 與壓電系數(shù)之間的關(guān)系式，計(jì)算得到壓電材料在規(guī)定溫度下的壓電系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)單片待測(cè)壓電材料的壓電系數(shù)小于 30pC/N時(shí)，制備采用并聯(lián)的多片待測(cè)壓電材料作為壓電片的壓電加速度傳感器，并采用上 述方法測(cè)量待測(cè)壓電材料在規(guī)定溫度下的壓電系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，并聯(lián)的多片待測(cè)壓電材料的壓電系數(shù)大 于 50pC/N。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，壓電加速度傳感器包括壓縮式 壓電加速度傳感器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，振動(dòng)臺(tái)選自符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T18328-2001的振動(dòng)臺(tái)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，采用高溫加熱爐將壓電加速度 傳感器加熱至規(guī)定溫度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，加熱壓電加速度傳感器的過(guò)程 中，升溫速率為2~5°C/分鐘，在規(guī)定溫度下保溫10~30分鐘后，再使得振動(dòng)臺(tái)輸出規(guī)定加 速度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，輸出電荷量通過(guò)前置放大器后， 再用于計(jì)算壓電系數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于，所述電荷量與壓電系數(shù)之間的 關(guān)系式包括：采用輸出電荷量與加速度計(jì)算傳感器電荷靈敏度的公式、采用作用于壓電片 的外力、壓電系數(shù)計(jì)算壓電片輸出電荷量的公式、以及采用質(zhì)量塊的質(zhì)量和加速度計(jì)算施 加于壓電片外力的公式。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料高溫壓電系數(shù)的方法，包括：1）制備采用待測(cè)壓電材料作為壓電片的壓電加速度傳感器；2）將壓電加速度傳感器固定在振動(dòng)臺(tái)上；3）將壓電加速度傳感器加熱至規(guī)定溫度，并在該規(guī)定溫度下使得振動(dòng)臺(tái)輸出規(guī)定加速度；4）測(cè)量出在規(guī)定溫度、以及規(guī)定加速度下傳感器輸出端的輸出電荷量，并根據(jù)電荷量與壓電系數(shù)之間的關(guān)系式，計(jì)算得到壓電材料在規(guī)定溫度下的壓電系數(shù)。采用本發(fā)明所述方法可動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電材料在不同溫度時(shí)的壓電系數(shù)。
【IPC分類(lèi)】G01R29-22
【公開(kāi)號(hào)】CN104698295
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510116533
【發(fā)明人】周志勇, 李玉臣, 李鑫, 董顯林
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月17日