一种压电材料切向压电应变常数准静态法测量系统的制作方法

专利名称：一种压电材料切向压电应变常数准静态法测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种压电材料压电常数的测量装置，特别是涉及一
种压电材料的切向压电应变常数(筒称山5压电常数)准静态法测量系统。
背景技术：
压电常数是表征压电材料压电性能的重要参数，主要包括有d33纵向
压电应变常数，(131横向压电应变常数和(115切向压电应变常数等，对于(115 切向压电应变常数的测量，以往采用动态法进行(具体方法可参见IEEE 标准IEEE Standard on Piezoelectricity, ANSI/IEEE Std. 176-1987， 国家标准GB/T3389. 6-1997压电陶瓷材料性能测试方法，长片厚度切 变振动模式)，动态法测量(115切向压电应变常数是通过测量压电被测试 样的谐振和反谐振频率后，再经过计算而得到的，是目前国内外通常使 用的一种方法。但动态法是一种间接测量方法，而且测试过程烦瑣，计 算复杂，测量中要求满足一定的边界条件，局限性大，只能测量满足特 定形状、规格和尺寸要求的标准试样(例如尺寸比例长、宽、厚为 12:6:1),所以实用性较差。
准静态法是上世纪八十年代前后出现的一种测量压电材料压电常
由压电效应而产生出的低频压电电荷而得到其压电常数，由于测量中对 压电被测试样施加的作用力频率远低于压电被测试样自身的谐振频率 (接近于静态)，故被称为准静态，该方法具有测量精确度较高、重复 性好、操作简单和适用性强等特点，先后被应用在压电元件(133纵向压电 应变常数和"横向压电应变常数的测量中。但由于过去一直找不到一种 理想的对压电被测试样施加切向低频作用力的方法，也就无法通过测量 切向压电电荷而得到其山5切向压电常数，结果导致在压电常数准静态测 量方法问世二三十年来，只能应用于压电元件(133纵向压电应变常数和^横向压电应变常数的测量，而不能解决压电元件(115切向压电常数的测 量，因此寻找一种筒单实用和能够直接测量压电元件d,5切向压电应变常 数的方法和装置，是本技术领域人员要攻破的技术难题。
发明内容
本实用新型的目的在于为克服以往动态法测量压电材料d,5压电常 数测试过程烦瑣，实用性差的缺陷，提供一种基于准静态法测量原理(对 压电被测试样施加低频作用力和测出压电^_测试样在该作用力作用下 由压电效应产生出的低频压电电荷而得到其压电常数)的压电材料(115 切向压电常数测量系统装置，该测量系统结构简单、操作方便，不但能 够满足测量准确度的要求，而且易于实现和推广。
本实用新型的目的是这样实现的
本实用新型提供的一种压电材料切向压电应变常数准静态法测量 系统，由切向加力部件1-00、施力装置2-00和电路部分3-00组成(分 别参见图l、图2和图3);所述的施力装置2-00和电路部分3-00可直 接选用目前国内外本技术领域中普遍采用的准静态法d33测量仪产品(参 考本申请人在99年2月6日被授权的专利"准静态法纵向压电应变常数 测量仪"，专利号为ZL97231420. 2 ),并按照原准静态法(133测量仪的要 求由两根多芯电缆4-01和4-02相互连接(参见图4)，其中多芯电缆 4-01将电路部分3-00中功率放大器3-02的输出与施力装置2-00中电 f兹驱动器2-07的输入相连，另一根多芯电缆4-02将来自施力装置2-00 中的"被测"与"比较"两路信号分别接入电路部分3-00中的第一前 置放大器3-03和第二前置放大器3-04;其特征在于，所述的加力部件 1-00,包括受力加压固定部件和受力加压件1-02;所述的受力加压固定 部件由一受力加压固定支架1-01、固定框架1-03、固定轴1-04、调节 螺栓1-05、绝缘套1-06、第一定位轴套1-07和第二定位轴套1-08组 成；其中所述的受力加压固定支架1-01为L形金属杆，所述的L形金 属杆的竖杆内面为对压电被测试样施加作用力的加力端面，该L形金属 杆的竖杆中部开有一个与其加力端面相平行的横向轴孔1-13，在横梁外端面开有一水平半圆凹槽1-09,使用时作为受力和电极端面可以方便地 进4亍4黄向移动；
所述的固定框架1-03为门框形结构，所述的门框形结构的横梁中 心位置有一垂直螺孔，该门框形结构两个立柱末端各有一平行于横梁的 水平轴孔；所述的调节螺栓1-05的螺紋部分与固定框架1-03横梁中心 位置的垂直螺孔相配合，由外向内旋入后末端再安装上绝缘套l-06;所 述的固定轴1-04与所述的受力加压固定支架1-01竖杆中部的横向轴孔 1-13和左边的第一定位轴套1-07及右边的第二定位轴套1-08为轴配 合，先由固定轴l-04依次穿在一起后再被安装在固定框架1-03两个立 柱末端的水平轴孔之间；
所述的受力加压件1-02也为L形金属杆，所述的L形金属杆的竖 杆内面为对压电被测试样施加作用力的另 一个加力端面，该L形金属杆 的竖杆外面中间偏下位置开有一个半球形凹槽1-11,使用时与绝缘套 1-06的半球形结构相配合，L形金属杆的横梁外端面开有一水平半圆凹 槽1-10,使用时也作为受力和电极端面可以方便地进行横向移动。
在上述的技术方案中，所述的绝缘套1-06由绝缘材料制成，为圆 柱加半球形结构，且圆柱一端的中心位置有一个螺孔与调节螺栓1-05 的螺紋相配合。
在上述的技术方案中，所述的第一定位轴套1-07和第二定位轴套 l-08完全一样，两者长度之和再加上受力加压固定支架1-01的宽度与固 定框架1 - 0 3门框内的宽度相同。
所述的切向加力部件1-00只需安放在准静态(133测量仪中的施力装 置2-00上就可容易地实现作用力的转换，它能把准静态d33测量仪中施 力装置2-00上产生的纵向低频作用力转换为d,s切向压电应变常数测量
时所需要的切向低频作用力施加在压电被测试样上，然后，不需要做任 何修正直接由准静态(133测量仪的电路部分3-00中得到压电被测试样的 山5切向压电应变常数测量结果。
本实用新型提供d,5切向压电常数测量原理是，利用准静态法(133测 量仪的施力装置2-00产生出纵向低频作用力直接施加在内部比较样品2-05 (准静态法(133测量4义的原有功能)和通过切向加力部件1-00转换 成切向低频作用力施加在压电被测试样1-12上，压电被测试样1-12和 内部比较样品2-05由于正压电效应产生出切向压电电荷Qi和纵向压电 电荷Qz,它们被送至电路部分3-00中并联了相同电容C的第一前置放 大器3-03和第二前置;^文大器3-04的输入端后，分别转换为对应的压电 电压信号V,和V2,根据压电材料在满足恒定电场条件下压电常数的表达 式，压电被测试样1-12的切向压电应变常数d^(yF5-OV!/F5，内部比 较样品2-05的纵向压电常数d3产(yF产OV2/F3，其中F3为内部比较样品 2-05所受到的纵向低频作用力，Fs为压电被测试样1-12所受到的切向 低频作用力，由于在本实用新型提供的测量方法中，切向加力部件l-OO 与内部比较样品2-05力学上串联，所受作用力同为纵向低频作用力F3, 而切向加力部件l-oo中的压电#:测试样l-12在此过程中受到的作用力 分别为静态夹持力F,和切向低频作用力F5 (参见图6),其中切向低频 作用力Fs是由纵向低频作用力F3通过切向加力部件1-00转换得到，幅 度与F3相同，而静态夹持力Fi由于与切向低频作用力F5相垂直，不会 对压电被测试样1-12在受到切向低频作用力Fs作用后由压电效应而产 生的切向压电电荷数量产生影响，因此，压电被测试样1-12的切向压 电应变常数(115与内部比较样品2-05的纵向切向压电常数(133的比值可以 表示为(W d33= (OV〃Fs) / (C*V2/F3),由于纵向低频作用力F;与切 向低频作用力Fs幅度相同，上式可化简为d15=d33* (V〃VJ,即压电 被测试样1-12的山5压电常数可以由内部比较样品2-05的d"压电常数 和"被测"与"比较，，两路压电电压比值的乘积来得到，而在准静态(133 测量仪电路部分3-00中，数据处理部分3-05的功能就是计算来自"被 测"与"比较"两路的第一前置放大器3-03和第二前置放大器3-(M的 输出电压比值与内部比较样品2-05固有d33压电常数的乘积。因此，按 上述方法操作后准静态法dw测量仪所给出的测量结果，实际上就是我 们需要的压电被测试样1-12的山5切向压电常数准静态法测量结果。
应用本实用新型设计制作的能够对压电元件施加切向作用力的切 向加力部件1-00参见实施例1;由本实用新型提供的压电材料准静态法(115切向压电应变常数测量系统装置参见实施例2;采用本实用新型提供 的测量系统测量压电元件的山5切向压电应变常数的方法参见实施例3 。
本实用新型的优点在于
本实用新型提供的压电材料切向压电应变常数准静态法测量系统 中仅使用一套简单易行的切向加力部件，就能把压电被测试样d,s切向压 电常数准静态法测量中，所必需且过去难以实现的切向低频作用力，从 目前易于实现的纵向低频作用力中转换得到，对于本技术领域的人员而 言，就不再需要另外加工用于产生纵向低频作用力的施力装置和设计组 装提供力驱动的电信号、放大压电电荷的前置放大器以及进行数据处理 和显示的电路部分，只要利用已有的准静态法d"测量仪(该仪器在本技 术领域已被广泛使用，成为必备仪器)，和本实用新型所提供的切向加 力部件，就能组成一种准静态法测量压电材料d,5切向压电应变常数的系 统装置，本实用新型给出的压电材料(115切向压电应变常数的测量方法简 单实用，测量结果可靠，易于推广普及，不但比目前使用的动态法测量 山5切向压电常数的操作简单很多，而且对于块型、条型、方(长方)片 型一类压电被测试样长、宽、厚度之间的尺寸比例基本上无特殊要求， 适用性更强。此外，本实用新型中的给出的切向加力部件，除了可以用 于压电材料d,5切向压电应变常数的测量使用外，还可以用于压电材料其 它如d"、 d16、 d"、 d25、 d26、 d34、 d35、 (136等各种切向压电应变常数的测量。


图l本实用新型中的切向加力部件结构示意图 图la本实用新型中的受力加压固定部件结构示意图
图lb本实用新型中的受力加压件结构示意图
图2本实用新型中的施力装置结构示意图
图3本实用新型中的电路部分结构示意图
图4本实用新型中的电路部分和施力装置的连接示意图
图5本实用新型所给出的di5切向压电常数准静态法测量系统示意图图6本实用新型中压电被测试样在测量中的受力分析示意图
图面说明
l-OO-一切向加力部件1-陽01-—受力加压固定支架
1-02-—受力加压件1-陽03-一固定框架
1-04-一固定轴1--05-一调节螺栓
1-06-一绝缘套1--07-一第一定位轴套
1-08-—第二定位轴套1--09-—水平半圆凹槽
1-10-一水平半圆凹槽1--11-—半球形凹槽
1-12-一压电^皮测试才羊1--13-一才黄向轴孔
2-00-一施力装置2--01-—上测试探头
2-02-一下测试纟笨头2--03-—调节手轮
2-04-一内部比较样品上探头2--05-—内部比较样品
2-06-一内部比较样品下探头2--07-一电磁驱动器
2-08-—振动活塞
3-00-—电路部分3--01-_振荡器
3-02-一功率放大器3--03-一第一前置放大器
3-04-一第二前置放大器3--05-一数据处理部分
3-06-一显示3--07-一电源
4—01-—多芯电缆4--02-—多芯电缆
具体实施方式
以下结合附图和实施例来详细说明本实用新型的测量系统 实施例l
参考图l、图la和图lb,制作一个能够应用作用力转换原理而对压电 元件施加切向作用力的切向加力部件1-00。
本实施例中的切向加力部件1-00由受力加压固定支架1-01,受力 加压件1-02,固定框架1-03,固定轴1-04,调节螺栓1-05,绝缘套1-06, 第一定位轴套1-07和第二定位轴套1-08组成，其中受力加压固定支架1-01和受力加压件1-02均为L形金属杆，由硬铝、不锈钢或铜等金属 材料制作，它们各自L形金属杆的竖杆内面为对压电被测试样施加作用 力的加力端面，要求加工得平整和光滑，它们各自L形金属杆的横杆外 面，分别开有一水平半圆凹槽1-09和1-10，由于使用时作为受力端面 和电极并且需要水平移动，因此也要求凹槽表面加工得光滑，在受力加 压固定支架1-01的竖杆中部开有一个与其加力端面相平行的横向轴孔 1-13,在受力加压件1-02的竖杆外面中间偏下位置开有一个半球形凹 槽l-ll;固定框架l-03为门框形结构，可用与受力加压固定支架1-01 和受力加压件1-02相同的金属材料制作，其门框横梁中心位置有一垂 直螺孔，门框两个立柱末端还各有一平行于^f黄梁且直径相同的轴孔；调 节螺栓1-05可选用头部为圆柱或圆盘形且圆周曲面带有条紋滚花结构 的标准件，以便于手动旋转，其螺杆直径和螺距与固定框架1-03横梁 中心位置上的垂直螺孔相匹配；绝缘套1-06用聚四氟乙烯材料制成， 也可以用尼龙、硬塑料等绝缘材料制作，外形为圆柱加半球头结构，其 圓柱一边的平面中心位置有一个螺孔并且与调节螺栓1-05的螺紋相配 合，其半球头的直径与受力加压件1-02上的半球形凹槽1-11相配合； 调节螺栓l-05从固定框架1-03的横梁由外向内旋入后，末端再将绝缘 套1-06安装及拧紧；固定轴1-04与固定框架1-03的两个立柱末端轴 孔为紧配合，与L形金属杆受力加压固定支架1-01上的横向轴孔1-13 以及第一定位轴套1-07和第二定位轴套1-08的内孔为轴配合，把L形 金属杆受力加压固定支架1-01通过竖杆中部的横向轴孔1-13和左边的 第一定位轴套1-07以及右边的第二定位轴套1-08用固定轴1-04穿在 一起后再安装在已装好调节螺栓1-05和绝缘套1-06的固定框架1-03 的两个立柱末端之间，使得固定框架1-03可以灵活的围绕L形金属杆 受力加压固定支架1-01旋转，这样切向加力部件1-00中的受力加压固 定部分就装配完毕，再与按前述要求加工好的L形金属杆受力加压件 1-02 —起，就组成了一套能够实现作用力转换的切向加力部件1-00， 将压电被测试样1-12 ;故入切向加力部件1-00中固定后，再对切向加力 部件1-00中的两个受力端面(水平半圆凹槽1-09和l-10)之间施加纵向低频作用力(参见图l),那么，切向加力部件1-00中的压电被测试 样1-12就能容易的得到由纵向低频作用力而转换成的切向低频作用力。
实施例2
参考图5，制作一种压电元件(115切向压电应变常数准静态法测量使 用的系统，本实施例所给出的测量压电元件d,5切向压电应变常数的系统 装置由切向加力部件l-OO、施力装置2-00和电路部分3-00组成；其中所 述的切向加力部件1-00直接应用实施例1的(参见图l)，施力装置2-00 和电路部分3-00直接选用目前国内外常用的ZJ系列准静态d33测量仪，如 ZJ-3、 ZJ-4系列准静态d33测量仪、ZJ-6系列准静态(133/(13,测量仪、或者 是其它釆用比较法原理的准静态(133测量仪等产品，其中的施力装置2-00 主要包含有上测试探头2-01和下测试探头2-02、调节手轮2-03、内部比 较样品上探头2-04、内部比较样品2-05、内部比较样品下探头2-06、振 动活塞2-08和电磁驱动器2-07等主要部件，他们自上而下串联安装，上 测试探头2-01可以通过旋转调节手轮2-03上下移动(参见图2);电路部 分3-00主要由振荡器3-01、功率放大器3-02、第一前置放大器3-03、第 二前置放大器3-04、数据处理部分3-05、结果显示3-06和电源3-07等组 成(参见图3)。
ZJ系列准静态d33测量仪的施力装置2-00和电路部分3-00之间按照原 准静态d33测量仪器的要求通过多芯电缆4-01和多芯电缆4-02电连接(参 见图4)，再按实施例l的要求组装好切向加力部件l-OO，这样，由ZJ系 列准静态(133测量仪的施力装置2-00、电路部分3-00和切向加力部件l-00 三部分一起共同构成了本实用新型的简单实用的准静态法测量压电元 件卜切向压电应变常数的系统。
实施例3
采用本实用新型提供的测量系统来测量压电元件d,5切向压电应变常 数的具体方法。
本实施例中的压电被测元件1-12为PZT型压电陶瓷材料制作的长方
ii片，长度为15mm、宽度为10mm、厚度为2隱(对本测量系统而言对压 电被测元件的长、宽、厚无过多的限制，只要能夹在实施例l给出的切 向加力部件中1-OO即可)，首先在长方片压电^皮测元件5mmx 2mm的两个 平面上制备极化电极和进行极化，然后将原极化电极除去，再在15mmx IO隨的两个平面上重新制备测量电极(上述的压电被测试样1-12的极化 和电极工艺为本技术领域中熟知的测量山5切向压电常数测试样品的制 作工艺)。
将准备好的压电被测元件1-12放入切向加力部件1-00中受力加压 固定部分的受力加压固定支架1-01和受力加压件1-02的两个加力端面 之间(压电^皮测元件1-12中15mmxl0mm的电才及平面与加力端面相接 触)，将受力加压固定部分中的固定框架1-03翻转到受力加压件1-02 的竖杆背面，使横梁中心的调节螺栓1-05末端对准受力加压件1-02竖 杆上的半球形凹槽1-11,旋转调节螺栓1-05使其末端的绝缘套1-06 嵌入受力加压件1-02竖杆上的半球形凹槽1-11内，顶住受力加压件
1- 02的竖杆并固定住压电被测元件1-12。
将装入压电被测元件1-12的切向加力部件1-00垂直放置在ZJ系 列准静态d33测量仪施力装置2-00中的上测试探头2-01和下测试探头
2- 02之间，切向加力部件1-00中的水平半圓凹槽1-09与施力装置2-00 中的下测试探头2-02相接触，切向加力部件1-00中的水平半圆凹槽
1- 10与施力装置2-00中的上测试探头2-01相对应(或者反过来切向加 力部件1-00中的水平半圆凹槽1-09与施力装置2-00中的上测试探头
2- 01相对应，切向加力部件1-00中的水平半圆凹槽1-10与施力装置 2-00中的下测试探头2-02相接触)，旋转调节手轮2-03调整上测试探 头2-01的位置将切向加力部件1-00轻轻夹住，然后水平移动切向加力 部件1-00使得其中夹住的压电被测元件1-12的厚度中心与施力装置 2-00中的上测试:探头2-01和下测试探头2-02之间的连线基本对准，再 次旋转调节手轮2-03调整上测试探头2-01将切向加力部件1-00夹紧
(参见图5)。
打开ZJ系列准静态(133测量仪电源开关，施力装置2-00产生出纵向低频作用力作用在内部压电比较样品2-05和切向加力部件1-00上， 切向加力部件1-00又把受到的纵向低频作用力转换为幅度相同的切向 低频作用力作用在夹住的压电被测元件1-12上，内部压电比较样品 2-05和压电被测元件1-12由于受到方向不同而幅度相同的外力作用而 产生出的纵向低频压电电荷和切向低频压电电荷送至ZJ系列准静态d33 测量仪电路部分3-00中进行转换、放大和按照内部压电比较样品2-05 的d33纵向压电常数值乘以待测压电被测元件卜12和内部压电比较样品 2-05两者低频压电电压比值的公式进行计算处理，在此过程中压电被测 元件1-12由于压电效应得到的低频压电电压为切向低频压电电压，因 而，由ZJ系列准静态d33测量仪中电路部分3-00计算处理后所给出的 显示结果实际上就是本实施例中所需要的压电被测元件1-12的山5切向 压电常数测量结果，因此，不需做任何修正可直接读取使用。
权利要求1. 一种压电材料切向压电应变常数准静态法测量系统，由切向加力部件(1-00)、施力装置(2-00)和电路部分(3-00)组成；所述的施力装置(2-00)和电路部分(3-00)由两根多芯电缆(4-01)和多芯电缆(4-02)相互连接，其中多芯电缆(4-01)将电路部分(3-00)中功率放大器(3-02)的输出与施力装置(2-00)中电磁驱动器(2-07)的输入相连，另一根多芯电缆(4-02)将来自施力装置(2-00)的“被测”与“比较”两路信号接入电路部分(3-00)中的第一前置放大器(3-03)和第二前置放大器(3-04)；其特征在于，所述的加力部件(1-00)，包括受力加压固定部件和受力加压件(1-02)；所述的受力加压固定部件由一受力加压固定支架(1-01)、固定框架(1-03)、固定轴(1-04)、调节螺栓(1-05)、绝缘套(1-06)、第一定位轴套(1-07)和第二定位轴套(1-08)组成；其中所述的受力加压固定支架(1-01)为L形金属杆，所述的L形金属杆的竖杆内面为对压电被测试样施加作用力的加力端面，该L形金属杆的竖杆中部开有一个与其加力端面相平行的横向轴孔(1-13)，在横梁外端面开有一水平半圆凹槽(1-09)，使用时作为受力和电极端面可以方便地进行横向移动；所述的固定框架(1-03)为门框形结构，所述的门框形结构的横梁中心位置有一垂直螺孔，该固定框架(1-03)的两个立柱末端各有一平行于横梁的水平轴孔；所述的调节螺栓(1-05)的螺纹部分与固定框架(1-03)横梁中心位置的垂直螺孔相配合，由外向内旋入后末端再安装上绝缘套(1-06)；所述的固定轴(1-04)与所述的受力加压固定支架(1-01)竖杆中部的横向轴孔(1-13)以及在左右两侧设置的第一定位轴套(1-07)及第二定位轴套(1-08)为轴配合，先由固定轴(1-04)依次穿在一起后再被安装在固定框架(1-03)的两个立柱末端上的水平轴孔之间；所述的受力加压件(1-02)也为L形金属杆，所述的L形金属杆的竖杆内面为对压电被测试样施加作用力的另一个加力端面，该L形金属杆的竖杆外面中间偏下位置开有一个半球形凹槽(1-11)，使用时与绝缘套(1-06)的半球形结构相配合，L形金属杆的横梁外端面开有一水平半圆凹槽(1-10)，使用时也作为受力和电极端面可以方便地进行横向移动。
2. 按照权利要求1所述的压电材料切向压电应变常数准静态法测 量系统，其特征在于，所述的绝缘套(1-06)由绝缘材料制成，为圓柱 加半球形结构，且圆柱一端的中心位置有一个螺孔与调节螺栓(1-05) 的螺紋相配合。
3. 按照权利要求l所述的压电材料切向压电应变常数准静态法测量 系统，其特征在于，所述的第一定位轴套(1-07 )和第二定位轴套(1-08 ) 完全一样，两者长度之和再加上受力加压固定支架(1-01)的宽度与固 定框架(1-03)门框内的宽度相同。
4. 按照权利要求1所述的压电材料切向压电应变常数准静态法测 量系统，其特征在于，所述的施力装置(2-00)和电路部分(3-00)选 用准静态法(133测量仪的产品，或专利号为ZL97231420. 2的专利产品。
专利摘要本实用新型涉及一种压电材料d₁₅切向压电应变常数的准静态测量系统，该系统由切向加力部件、施力装置和电路部分组成，其中的切向加力部件由受力加压固定部件和受力加压件组成，受力加压固定部件由受力加压固定支架、固定框架、固定轴、调节螺栓、绝缘套和定位轴套组成，施力装置和电路部分选用目前使用的各型号准静态d₃₃测量仪，准静态d₃₃测量仪的施力装置和电路部分之间按照原准静态d₃₃测量仪器的要求，通过两根多芯电缆连接。采用本实用新型的系统测量压电元件的d₁₅切向压电应变常数与目前使用的动态法相比具有操作简单、实用性强和易于推广实施的优点。
文档编号G01R29/22GK201259519SQ20082013552
公开日2009年6月17日 申请日期2008年8月28日 优先权日2007年9月24日
发明者童 张, 易晓星, 潮 潘, 章力旺, 金亨焕, 陈守六, 鲍小琪 申请人:中国科学院声学研究所