一種測量壓電器件開路電壓的裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電壓測量的技術領域，具體地涉及一種測量壓電器件開路電壓的裝 置，以及測量方法，主要用于準確測量壓電器件受到周期載荷時產生的開路電壓。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)在很多壓電領域的研究者直接使用萬用表測量壓電器件的開路電壓，并不注意 電壓表的內阻對所測得的結果有怎樣的影響。目前大多數(shù)研究者不知道到底需要多高的內 阻才能達到某個給定的精度。市場上主流臺式數(shù)字萬用表測電壓時的內阻一般有兩個檔， 高阻抗的一般也只是10G歐這個量級，這對于壓電器件開路電壓的測量是不夠的。
[0003] 靜電電壓表或說靜電計，阻抗都很高，主要有兩種，接觸式的和非接觸式的。有些 接觸式靜電電壓表，利用靜電力進行測試，只能適用于測量金屬體的靜電電壓或電位，這顯 然不適用于測量壓電器件開路電壓。非接觸式靜電電壓表利用靜電感應原理測量，受帶電 體尺寸、測試距離影響很大，也不準確。比如，EST102振動電容式靜電計，最高分辨率為 0.1V〇
[0004] 綜上，普通萬用表的內阻太小會導致失真;而傳統(tǒng)的靜電電壓表內阻足夠大，電荷 衰減很慢或幾乎不衰減，但是不適合用于測量壓電器件開路電壓。
[0005] 國際上先進的接觸式靜電計，比如，吉時利的5位半6517B靜電計/高阻表，利用超 高的內阻，加上極為精確的對微小電流的測量，確實可以準確測量壓電器件開路電壓，但是 成本很高，價格昂貴。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種測量壓電器件開路電 壓的裝置，其能夠準確測量壓電器件受到周期載荷時產生的開路電壓，電路原理簡單，經濟 實用。
[0007] 本發(fā)明的技術解決方案是:這種測量壓電器件開路電壓的裝置，其包括場效應管、 第一開關、第二開關、第三開關、第一直流電源、第二直流電源、萬用表，第一支路上所測量 壓電器件與第一開關串聯(lián)，第二支路上是第二開關，第三支路上第二直流電源與第三開關 串聯(lián)，第一、二、三支路并聯(lián)，第二直流電源的負極連接場效應管的源極，第三開關的一端連 接場效應管的柵極，場效應管的源極、萬用表的電流檔、第一直流電源、場效應管的漏極串 聯(lián)在一起。
[0008] 還提供了這種測量壓電器件開路電壓的裝置的使用方法，包括以下步驟：
[0009] (1)閉合第三開關，用第二直流電源對測量系統(tǒng)進行標定；
[0010] (2)打開第三開關，然后同時閉合第一開關和第二開關，清除殘余電荷；
[0011] (3)打開第二開關，開始測量；
[0012] (4)通過萬用表實時地讀取電流數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳到計算機上；
[0013] (5)通過計算得到柵極和源極之間的電壓，從而獲得所測量壓電器件的開路電壓 值。
[0014] 本發(fā)明使用場效應管電路，既是從測量電壓轉化成測量電流，又是實現(xiàn)了不同量 程之間的轉化。普通萬用表測電壓的方法是通過內阻形成電流，但是一旦形成電流，電荷就 會移動，電壓也會減小，所以測得的不是原來的開路電壓，而把電極連接到場效應管的柵極 G和源極S上，電壓就幾乎不會衰減，因為GS極間阻值極大，一般可達1012歐姆以上，有的甚至 高達10 15歐姆以上，場效應管DS極間的電流受到GS極間的電壓影響，但不是由GS極間的電壓 直接產生的，這個電流比GS極間的電流大好幾個數(shù)量級，用普通萬用表就可以測量，所以本 發(fā)明能夠準確測量壓電器件受到周期載荷時產生的開路電壓，電路原理簡單，經濟實用。
【附圖說明】
[0015] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的測量壓電器件開路電壓的裝置的一個優(yōu)選實施例的結構 示意圖。
[0016] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的測量壓電器件開路電壓的裝置的使用方法的流程圖。
[0017] 圖3是第二直流電源的一個優(yōu)選實施例。
【具體實施方式】
[0018] 針對普通萬用表的電壓測量失真，以及市場上常見的傳統(tǒng)靜電電壓表的不適應 性，以及最先進的靜電計的昂貴，本發(fā)明的目的是給壓電領域的研究者提供一種簡單可靠 的方法和裝置去得到所要測量的開路電壓。同時，對于具體條件的測量可以給出因電荷通 過了電壓表內阻而引起誤差的估計。
[0019]如圖1所示，這種測量壓電器件開路電壓的裝置，其包括場效應管、第一開關1、第 二開關2、第三開關3、第一直流電源Ei、第二直流電源E2、萬用表，第一支路上所測量壓電器 件與第一開關串聯(lián)，第二支路上是第二開關，第三支路上第二直流電源與第三開關串聯(lián)，第 一、二、三支路并聯(lián)，第二直流電源的負極連接場效應管的源極S，第三開關的一端連接場效 應管的柵極G，場效應管的源極S、萬用表的電流檔、第一直流電源、場效應管的漏極D串聯(lián)在 一起。
[0020] 另外，該裝置還包括計算機，萬用表通過USB數(shù)據(jù)線與計算機連接。
[0021] 另外，所述場效應管是N溝道耗盡型絕緣柵場效應管。
[0022] 另外，對于特定的壓電器件、加載方式和精度要求，所挑選場效應管的輸入內阻必 須超過某臨界值，這個臨界值為凡=，/(〇11(]/(1-^："".)))，其中成測量時間，(：是壓電器 件的電容，S是t時刻的絕對誤差/最大開路電J3
是和波形有關的常數(shù)， 其中，ε是壓電器件的應變，emax是壓電器件的最大應變，f是周期載荷的頻率。
[0023]另外，所述N溝道耗盡型絕緣柵場效應管可以是型號為ALD114935的N溝道耗盡型 絕緣柵場效應管，或是其它型號的GS極間內阻足夠大且電容較小的N溝道耗盡型絕緣柵場 效應管。
[0024]另外，如圖3所示，所述第二直流電源通過若干節(jié)堿性干電池和變阻器形成，并且 在輸出端并聯(lián)一個普通電壓表。
[0025] 另外，所述第一直流電源是一節(jié)堿性干電池。
[0026] 如圖2所示，還提供了這種測量壓電器件開路電壓的裝置的使用方法，包括以下步 驟：
[0027] (1)閉合第三開關，用第二直流電源對測量系統(tǒng)進行標定；
[0028] (2)打開第三開關，然后同時閉合第一開關和第二開關，清除殘余電荷；
[0029] (3)打開第二開關，開始測量；
[0030] (4)通過萬用表實時地讀取電流數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳到計算機上；
[0031] (5)通過計算得到柵極和源極之間的電壓，從而獲得所測量壓電器件的開路電壓 值。
[0032]本發(fā)明使用場效應管電路，既是從測量電壓轉化成測量電流，又是實現(xiàn)了不同量 程之間的轉化。普通萬用表測電壓的方法是通過內阻形成電流，但是一旦形成電流，電荷就 會移動，電壓也會減小，所以測得的不是原來的開路電壓，而把