專利名稱：準(zhǔn)靜態(tài)法縱向壓電應(yīng)變常數(shù)測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測試技術(shù)中的一種壓電常數(shù)測試裝置。
壓電常數(shù)(d33)以往常用動態(tài)法和靜態(tài)法測量得到，前者只宜測量特定形狀且滿足規(guī)定尺寸比例的試樣(如高度與直徑或邊長比例大于兩點(diǎn)五倍的圓柱和方柱，測量須在嚴(yán)格的屏蔽條件下進(jìn)行，測量對象為試樣的串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振頻率和電容等參數(shù)，最終結(jié)果——試樣的d33壓電常數(shù)還需經(jīng)過復(fù)雜的計算才能得到。而對形狀為片狀、條狀、管狀和高度與直徑比例小于兩點(diǎn)五倍的柱狀試樣，動態(tài)法根本無法對其測量；后者，為了滿足一定的測試靈敏度，靜態(tài)法測量施加的力較大，一般為幾個至幾十個牛頓，這樣，對壓電材料中目前應(yīng)用最廣的壓電陶瓷而言，由于鐵電材料中熱釋電荷引起的漂移和受力較大時易產(chǎn)生非線性，以及測量中加力不易均勻等因素，造成了靜態(tài)法測量精度太低，重復(fù)性不好。
本實(shí)用新型目的在于提出一種由施力裝置和電路裝置所組成的準(zhǔn)靜態(tài)縱向壓電應(yīng)變常數(shù)測量儀，它不僅精度高、測量速度快，而且十分簡便，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案在于它由施力裝置和電路裝置兩部分組成，其中，施力裝置包含有探頭、比較樣品、比較電極，絕緣柱和電磁驅(qū)動器以及兩路前置放大器；而電路裝置包含有振蕩器、功率放大器、限幅放大器、同步檢波器、電壓衰減器、除法器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和顯示器。利用上述的施力裝置和電路裝置，本實(shí)用新型通過正弦交變壓力的裝置，給試樣提供一個已知的一維交變應(yīng)力，在很低的頻率下，試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變基本上是均勻分布的，因而可看做是準(zhǔn)靜態(tài)。本實(shí)用新型的施力裝置在工作原理上采用了比較法，被測試樣與內(nèi)部比較樣品(壓電陶瓷材料制成)在力學(xué)上串聯(lián)，其中測試探頭，它采用導(dǎo)電性好的金屬材料制作，形狀為半球形或圓弧形，為提高導(dǎo)電性表面鍍金或鍍銀，主要用于夾持被測試樣同時也起電極作用；比較電極，也采用導(dǎo)電性好的金屬材料制作，形狀為圓盤形，它被用來固定和連接比較樣品；絕緣柱，是由有機(jī)玻璃棒或尼龍棒制成，用于隔離測試探頭和比較電極。被測試樣與比較樣品的兩端分別并聯(lián)一個相同容量的大電容C(電容量一般大于被測試樣和比較樣品各自電容值的100倍以上)，以滿足恒定電場條件。被測試樣與比較樣品受到由電磁驅(qū)動器(由磁鋼、上下軛鐵、線圈、活塞、定心支片等構(gòu)成)產(chǎn)生的同一個低頻交變力作用時，由于正壓電效應(yīng)在兩個所并聯(lián)的電容C上分別產(chǎn)生交變電壓V′和V，這兩個交變電壓V′和V的比值就是被測試樣和比較樣品的d33比值，若比較樣品的d33值為已知(由于比較樣品的d33值是確定的)，那么，被測試樣的d33值也就得到了。關(guān)系式如下d33比較=Q/F=CV/F (1)d33被測=Q′/Ｆ′=CV′/F′ (2)由于C=C′(被測試樣與比較樣品兩端并聯(lián)的電容容量相同)，F(xiàn)=F′(被測試樣與比較樣品力學(xué)上串聯(lián))，所以，
即d33被測=d33比較(V′/V)=K(V′/V)(4)電路部分工作原理為振蕩器(通常電路中的文氏電橋振蕩器或其他形式的正弦波發(fā)生器，這里采用了具有正弦波和矩形波輸出的振蕩器，主要由運(yùn)算放大器、比較器集成電路組件和阻容串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成)提供一個頻率為100Hz左右的正弦振蕩信號送功率放大器和限幅放大器(主要由二極管和穩(wěn)壓管連接成橋路構(gòu)成)，功率放大器輸出的驅(qū)動電壓信號經(jīng)過連接器和電纜(主要由航空插頭和相應(yīng)電纜組成)送電磁驅(qū)動器，為施力裝置提供一個低頻交變力。由正壓電效應(yīng)產(chǎn)生出的兩路(被測、比較)交變電壓信號V′和V送前置放大器A′和A2(通常電路中的交流電壓放大器，這里主要由“JEFT型”運(yùn)算放大器等組成)，信號放大后經(jīng)連接器和電纜送專門設(shè)計的同步檢波器(見下面的介紹)中進(jìn)行檢波，經(jīng)檢波后得到對應(yīng)于被測試樣一路的直流電壓信號通過電壓衰減器(電阻和電位器串聯(lián)構(gòu)成)，適當(dāng)衰減后送模擬除法器(能對兩個模擬電壓信號值進(jìn)行“算術(shù)除法”操作的電路，這里主要由帶有3位半七段譯碼輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路組件構(gòu)成)分子輸入端，而得到對應(yīng)于比較樣品一路的直流電壓信號送模擬除法器分母輸入端，除法器輸出送A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器及數(shù)字顯示器直接顯示被測試樣的d33值和極性。其中比較樣品一路得到的直流電壓信號，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)SW擲“F”一側(cè)時，通過另一電壓衰減器適當(dāng)衰減后也可送給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器及數(shù)字顯示器，用來反映出被測試樣和比較樣品所受到的低頻交變力F的大小。
上述的專門設(shè)計的同步檢波器，主要由一片雙運(yùn)算放大器IC3和兩片“三路一選二”模擬開關(guān)IC1和IC2集成組件構(gòu)成，(a)(b)為檢波信號輸入端，(c)為同步信號輸入端，(d)(e)為檢波信號輸出端。它的工作原理是當(dāng)限幅放大器輸出的同步信號為低電平時(對應(yīng)于振蕩器正弦波信號負(fù)半周)，模擬開關(guān)IC1和IC2中X與X0、Y與Y0、Z與Z0一一接通，此時，IC3分別構(gòu)成了兩個增益為“1”的高精度“反相放大器”，把由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的兩路交變電壓負(fù)半周反相輸出；當(dāng)限幅放大器輸出的同步信號為高電平時(對應(yīng)于振蕩器正弦波信號正半周)，模擬開關(guān)IC1和IC2中X與X1、Y與Y1、Z與Z1一一接通，此時，IC3分別構(gòu)成了兩個增益為“1”的高精度“同相放大器”，把由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的兩路交變電壓正半周同相輸出，完成了同步檢波功能。此電路的特點(diǎn)1)線性度好，動態(tài)范圍寬；2)“零點(diǎn)”輸出容易調(diào)節(jié)，且調(diào)好后不易漂移。既克服了過去二極管檢波器，由于存在有死區(qū)電壓(管壓降)而動態(tài)范圍窄、線性度差的缺陷，又解決了目前流行的模擬乘法器構(gòu)成線性檢波器調(diào)“零，，復(fù)雜，且“零點(diǎn)”不穩(wěn)定的問題。此外，專門設(shè)計的同步檢波器不只適用于本實(shí)用新型，而且適用于各種要求穩(wěn)定性高、動態(tài)范圍寬、線性度好的同步線性檢波電路。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)在于一．研制的準(zhǔn)靜態(tài)d33的測量儀對壓電材料被測試樣施加了一個合適的低頻交變力，其結(jié)果1)抑制了靜態(tài)法測量中熱釋電荷引起的漂移；2)避免了鐵電材料因受力過大而產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象，從根本上解決了靜態(tài)法測量d33壓電常數(shù)誤差大，重復(fù)性不好的問題。
二．準(zhǔn)靜態(tài)d33測量儀對被測試樣的加力探頭設(shè)計為半球形等形狀，與被測試樣為點(diǎn)接觸，且對被測試樣形狀、尺寸無過多要求。這樣，不但克服了靜態(tài)法測量施力不均勻的毛病，也解決了動態(tài)法測量手續(xù)繁瑣，實(shí)用性差的問題。
三．測量方式采用比較法，測量數(shù)據(jù)以比較樣品為基準(zhǔn)，這樣，像靜壓力變化(測試探頭2夾持力大小)、溫度變化、濕度變化等對被測試樣d33測量造成的影響，均被抵消掉，從而解決了因環(huán)境條件變化，影響測量精度的問題。
四．前置放大器A1、A2設(shè)計安排在施力裝置中，配合專門設(shè)計的同步線性檢波器13和14，改善了測量中由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生出的微伏量級電壓信號在傳輸過程中的信噪比，提高了儀器整機(jī)抗干擾能力。
五．合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，高性能電子元器件的選用，信號處理自動化，使得壓電被測試樣通過本儀器測量，直接得到穩(wěn)定的d33讀數(shù)和極性，準(zhǔn)確、快速、簡捷。另外，本儀器不但可以測量具有高d33壓電常數(shù)值的壓電陶瓷材料，還可測量過去靜態(tài)法及動態(tài)法根本無法測量的高分子壓電薄膜材料、甚至壓電石英晶體等一類具有低d33值的壓電材料，其測量效率比過去的靜態(tài)法測量提高十倍以上，比動態(tài)法測量提高百倍以上。


圖1為本實(shí)用新型的工作原理圖；圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例圖；圖3為本實(shí)用新型中專門設(shè)計的同步檢波器工作原理圖。
現(xiàn)在結(jié)合上述各圖來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的較佳具體實(shí)施例，本實(shí)用新型主要由施力裝置和電路裝置組成，其中，施力裝置包含有探頭2、比較樣品4、比較電極5，絕緣柱3、電磁驅(qū)動器6和兩路前置放大器A1、A2；而電路裝置包含有振蕩器10、功率放大器11、限幅放大器12、同步檢波器13、14，電壓衰減器15、16，除法器17、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和顯示器18；將施力裝置與儀器部分通過連接器與電纜7、8和9連接好后，打開電源開關(guān)29，如圖2所示，電源指示燈28亮，儀器開始工作，將被測試樣1拿掉或放入一絕緣片，調(diào)節(jié)手輪19使兩個測試探頭2短路或夾緊剛才放入的絕緣片，調(diào)節(jié)旋鈕27，使顯示屏26上數(shù)字顯示全為“0”，至此儀器測量前的準(zhǔn)備工作完成。
根據(jù)被測試樣的形狀、尺寸，調(diào)節(jié)手輪19，滑塊20可在定位導(dǎo)軌21中上下運(yùn)動，用測試探頭2把被測試樣1固定住(如測量相同形狀、尺寸的被測試樣1時，不必每次調(diào)節(jié)手輪19，只需用手按下膜片23，將被測試樣1放入即可)；此時，振蕩電路10產(chǎn)生的低頻交變電壓信號經(jīng)功放電路11放大后，通過連接器與電纜9送至施力裝置電磁驅(qū)動器6中轉(zhuǎn)換為低頻交變力通過活塞25作用在被測試樣1和比較樣品4上，由正壓電效應(yīng)在被測試樣1和比較樣品4上產(chǎn)生的兩路交變電壓信號(V′和V)分別送前置放大器24(A1和A2)進(jìn)行電壓放大，信號放大后經(jīng)連接器和電纜7、8送專門設(shè)計的同步檢波器13、14與振蕩電路10產(chǎn)生的低頻交變電壓信號經(jīng)限幅放大器12產(chǎn)生的同步脈沖信號一起，進(jìn)行同步線性檢波。經(jīng)檢波后的兩路直流電壓信號，分別經(jīng)電壓衰減器15、16適當(dāng)衰減后，當(dāng)雙刀轉(zhuǎn)向開關(guān)SW擲“d33”一側(cè)時，一路(被測)送模擬除法器17分子輸入端，另一路(比較)送模擬除法器17分母輸入端，除法器17輸出送A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字顯示器18(上述過程見圖1)，直接在儀器顯示屏26上顯示被測試樣1的d33值和極性，當(dāng)雙刀轉(zhuǎn)向開關(guān)SW擲“F”一側(cè)時，儀器顯示屏26上的顯示為被測試樣1所受的低頻交變力值。
以上為本實(shí)用新型實(shí)施例的一個全部測量過程，從將被測試樣1放入施力裝置中到儀器顯示屏26上顯示穩(wěn)定的被測試樣1的d33值和極性，需要時間15秒左右。對于各種形狀、尺寸不同的壓電材料被測試樣進(jìn)行測量，均能得到可靠的d33數(shù)據(jù)，且反復(fù)測量重復(fù)性良好，從而實(shí)現(xiàn)了高精度、高可靠性、操作簡單、實(shí)用的d33壓電常數(shù)測量。
權(quán)利要求1．一種準(zhǔn)靜態(tài)縱向壓電應(yīng)變常數(shù)測量儀，其特征在于它包括有施力裝置和電路裝置兩部分所組成，其中，施力裝置主要結(jié)構(gòu)為探頭2、內(nèi)部比較樣品4、比較電極5、絕緣柱3和電磁驅(qū)動器6；電路裝置包含有前置放大器A1和A2、振蕩器10、功放電路11、限幅放大器12、同步線性檢波器13和14、模擬除法器17、AD轉(zhuǎn)換器及數(shù)字顯示器18；振蕩電路10產(chǎn)生的低頻交變電壓信號經(jīng)功放電路11放大后，通過連接器與電纜9送至施力裝置電磁驅(qū)動器6中轉(zhuǎn)換為低頻交變力通過活塞25作用在被測試樣1和比較樣品4上，由正壓電效應(yīng)在被測試樣1和比較樣品4上產(chǎn)生的兩路交變電壓信號分別送前置放大器24進(jìn)行電壓放大，信號放大后經(jīng)連接器和電纜7、8送同步檢波器13、14與振蕩電路10產(chǎn)生的低頻交變電壓信號經(jīng)限幅放大器12產(chǎn)生的同步脈沖信號一起，進(jìn)行同步線性檢波，經(jīng)檢波后的兩路直流電壓信號，分別經(jīng)電壓衰減器15、16適當(dāng)衰減后，當(dāng)雙刀轉(zhuǎn)向開關(guān)SW擲“d33”一側(cè)時，一路(被測)送模擬除法器17分子輸入端，另一路(比較)送模擬除法器17分母輸入端，除法器17輸出送A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字顯示器，直接在儀器顯示屏26上顯示被測試樣1的d33值和極性，當(dāng)雙刀轉(zhuǎn)向開關(guān)SW擲“F”一側(cè)時，儀器顯示屏26上的顯示為被測試樣1所受的低頻交變力值，兩部分通過兩根兩頭帶有航空插頭的多芯電纜7、8和9來連接，其中一根用于從電子線路部分傳輸正弦驅(qū)動電壓信號至施力裝置中電磁驅(qū)動器6，另一根主要用于從施力裝置中兩路前置放大器傳輸由壓電效應(yīng)產(chǎn)生出的交變電壓信號至電子線路部分中同步線性檢波器。
2．按照權(quán)利1要求中所說的準(zhǔn)靜態(tài)法縱向壓電應(yīng)變常數(shù)測量儀，其特征在于所說的施力裝置，它包含有探頭2、絕緣柱3、比較電極5、內(nèi)部比較樣品4，串聯(lián)固定在與電磁驅(qū)動器6連接的活塞25上，構(gòu)成了工作原理上采用比較法的實(shí)現(xiàn)形式；主殼體22、定位導(dǎo)軌21、定位滑塊20、手輪19、膜片23及測試探頭2裝配成夾具結(jié)構(gòu)。
3．按照權(quán)利1要求中所說的準(zhǔn)靜態(tài)縱向壓電應(yīng)變常數(shù)測量儀，其特征在于所說的同步線性檢波器13和14，它包括有一片雙運(yùn)算放大器IC3、兩片“三路一選二”模擬開關(guān)IC1和IC2以及若干電阻電容。
專利摘要本實(shí)用新型涉及測試技術(shù)中的一種壓電常數(shù)測試裝置,它由施力裝置和電路裝置兩個部分組成,主要用于測量反映壓電材料機(jī)械與電能之間轉(zhuǎn)換能力的重要參數(shù)—縱向壓電應(yīng)變常數(shù)d
文檔編號G01B7/16GK2308072SQ97231420
公開日1999年2月17日 申請日期1997年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月19日
發(fā)明者潘潮, 陳守六, 金亨煥, 章力旺, 易曉星 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所