基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置及方法

基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置及方法，该装置包括：样品加载头，用于加载待测压电材料；静载荷测量单元，位于样品加载头的上方，并与样品加载头相连，用于测量待测压电材料上的静载荷力；动态力驱动源，位于样品加载头的下方；动态力传感器，位于样品加载头与动态力驱动源之间，用于直接测量加载在待测压电材料两端的准静态力大小；双通道电荷放大器，与动态力传感器相连，双通道电荷放大器还用于与待测压电材料相连；数据采集器，与双通道电荷放大器相连，用于测量其电荷输出。本发明采用动态力传感器直接测量准静态力的大小避开了参考压电材料的使用，实现了准静态法压电应变常数测量中各参量的直接溯源。
【专利说明】基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置及方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及声学计量测试领域，尤其涉及一种基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置及方法。

【背景技术】
[0002]压电材料的压电应变常数是衡量其能量转换效率的重要指标，目前的测量方法分为动态谐振法、准静态法、基于逆压电效应的激光测量法等。动态谐振法对于样品的尺寸具有严格的限制，通过样品的电学谐振得到其参数，计算过程较为复杂，基于逆压电效应的激光测量装置建立成本较高。准静态法易于实现，通过准静态力加载在待测样品上，根据其加载的准静态力值大小和输出的电荷大小得到其压电应变常数。
[0003]现有技术中，专利号为97231420.2，发明名称为准静态法纵向压电应变常数测量仪的专利文献，采用内置参考压电材料，根据参考材料与待测材料输出电荷之比得到待测压电材料的压电应变常数。而参考压电材料的压电应变常数是采用动态谐振法获得，实际上动态谐振法获得的往往是几十千赫兹频率下的压电应变常数，而准静态法的频率通常为10Hz左右，不同的材料其压电应变常数具有不同的频率特性。因此，如何解决准静态法测量压电应变常数中的参考压电材料在低频的压电常数无法直接溯源的问题是业内的又一难题。


【发明内容】

[0004]本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
[0005]为克服现有技术的问题，本发明提供一种基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，采用动态力传感器直接测量加载在待测压电材料两端的准静态力大小，绕开参考压电材料的问题，从而实现压电应变常数准静态法测量的直接溯源。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下:
[0007]根据本发明的一个方面，提供一种基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，其特征在于，包括:样品加载头，用于加载待测压电材料；静载荷测量单元，位于该样品加载头的上方，并与该样品加载头相连；动态力驱动源，位于该样品加载头的下方；动态力传感器，位于该样品加载头与该动态力驱动源之间，且其一端与该样品加载头相连，另一端与该动态力驱动源相连；双通道电荷放大器，与该动态力传感器相连，该双通道电荷放大器还用于与该待测压电材料相连；数据采集器，与该双通道电荷放大器相连。
[0008]根据本发明的一个实施例，还包括驱动信号源，与该动态力驱动源相连。
[0009]根据本发明的一个实施例，该动态力驱动源为电磁激振器。
[0010]根据本发明的一个实施例，该样品加载头包括上加载头与下加载头，该上加载头通过第一连杆与该静载荷测量单元相连，该下加载头通过第二连杆与该动态力传感器相连。
[0011]根据本发明的一个实施例，该样品加载头、静载荷测量单元、动态力驱动源、动态力传感器在竖直方向上处于同一个轴线。
[0012]根据本发明的一个实施例，还包括支座，由底座、与该底座平行的顶部以及用于连接该底座与顶部的连杆；该底座用于放置该动态力驱动源，该顶部用于与该静载荷测量单元相连。
[0013]根据本发明的一个实施例，该连杆上设有调节手柄，用于改变该底座与顶部之间的距离，调节该待测压电材料上的静载荷力。
[0014]根据本发明的另一个方面，提供一种基于动态力直接测量的压电应变常数测量方法，其特征在于，包括:在样品加载头上固定待测压电材料，并向该待测压电材料施加静载荷力；将位于该样品加载头与动态力驱动源之间的动态力传感器以及该待测压电材料都与电荷放大器相连，并将该电荷放大器与数据采集器相连；驱动该动态力驱动源；根据该数据采集器输出的数据获取动态力的大小以及待测压电材料输出电荷的大小；根据该电荷与该动态力的比值，得到待测压电材料的压电应变常数。
[0015]根据本发明的一个实施例，在向该待测压电材料施加静载荷力时，使该待测压电材料上的静载荷力达到10N。
[0016]根据本发明的一个实施例，利用90Hz?200Hz的电压信号驱动该动态力驱动源。
[0017]本发明采用电磁激振器作为动态力驱动源，采用动态力传感器直接测量动态力的大小，根据待测压电材料输出的电荷大小，计算得到压电材料的压电应变常数。此种装置及其方法避开了参考压电材料的使用，使得准静态法测量压电应变常数的测量能够直接溯源至动态力和电荷测量。
[0018]通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中:
[0020]图1为本发明实施例的基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置的结构示意图。

【具体实施方式】
[0021]如图1所示，本发明提供一种基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，其特征在于，包括:样品加载头3，用于加载待测压电材料4 ;静载荷测量单元1，位于样品加载头3的上方，并与样品加载头3相连，用于测量待测压电材料上的静载荷力；动态力驱动源10，位于样品加载头3的下方，用于为待测压电材料提供动态力；动态力传感器8，位于样品加载头3与动态力驱动源10之间，且其一端与样品加载头3相连，另一端与动态力驱动源10相连，用于直接测量加载在待测压电材料两端的准静态力大小；双通道电荷放大器5，与动态力传感器8相连，双通道电荷放大器还用于与待测压电材料相连；数据采集器6，与双通道电荷放大器5相连，用于测量其电荷输出。如此动态力传感器8和待测压电材料4输出的电荷可以经过电荷放大器5将电荷转换成电压输出，由数据采集器6进行采集。
[0022]样品加载头3包括上加载头与下加载头，待测压电材料被放置与上加载头与下加载头之间；其中上加载头通过第一连杆2与静载荷测量单元I相连，下加载头通过第二连杆7与动态力传感器8相连；而动态力传感器8与动态力驱动源10之间则通过第三连杆9相连。上述样品加载头3、静载荷测量单元1、动态力驱动源10、动态力传感器8以及待测压电材料4在竖直方向上处于同一个轴线，即各自的中心轴线是重合的。
[0023]此外，还包括驱动信号源11，与动态力驱动源10相连，用于输出90Hz?200Hz，该动态力驱动源10可以采用电磁激振器。
[0024]在本实施例中，还包括支座12，由底座、与底座平行的顶部以及用于连接底座与顶部的连杆；底座用于放置动态力驱动源10，顶部用于与静载荷测量单元I相连。连杆上设有调节手柄13，用于改变底座与顶部之间的距离，调节待测压电材料上的静载荷力。在具体实施时，连杆可以分成上半段与下半段，其中上半段上设有导轨，下半段设有与导轨配合的凹槽，通过调节手柄13能调节并固定上半段在下半段凹槽里的滑行距离。
[0025]本发明还提供一种基于动态力直接测量的压电应变常数测量方法，其包括:在样品加载头上固定待测压电材料，并向待测压电材料施加静载荷力；将位于样品加载头与动态力驱动源之间的动态力传感器以及待测压电材料都与电荷放大器相连，并将电荷放大器与数据采集器相连；驱动动态力驱动源；根据数据采集器输出的数据获取动态力的大小以及待测压电材料输出电荷的大小；根据电荷与动态力的比值，得到待测压电材料的压电应变常数。
[0026]其中，在向待测压电材料施加静载荷力时，使待测压电材料上的静载荷力达到1N ;在驱动动态力驱动源时可以采用利用90Hz?200Hz的电压信号。此外，动态力传感器的灵敏度要采用JJF1370-2012正弦法力传感器动态特性校准规范中推荐的方法进行校准。
[0027]上述基于动态力直接测量的压电应变常数测量方法可以采用本发明提供的基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置实现。
[0028]本发明提供的基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置及方法，将电磁激振器作为动态力驱动源，采用动态力传感器和电荷放大器直接测量动态力的大小，根据待测压电材料输出的电荷大小，计算得到压电材料的压电应变常数；避开了参考压电材料的使用，无需考虑参考压电材料动态谐振法获得的高频段压电应变常数如何修正才能得到低频时压电常数的问题；实现了准静态法压电应变常数测量中各参量的直接溯源。
[0029]以上参照【专利附图】

【附图说明】了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。
【权利要求】
1.一种基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，其特征在于，包括: 样品加载头，用于加载待测压电材料； 静载荷测量单元，位于所述样品加载头的上方，并与所述样品加载头相连； 动态力驱动源，位于所述样品加载头的下方； 动态力传感器，位于所述样品加载头与所述动态力驱动源之间，且其一端与所述样品加载头相连，另一端与所述动态力驱动源相连； 双通道电荷放大器，与所述动态力传感器相连，所述双通道电荷放大器还用于与所述待测压电材料相连； 数据采集器，与所述双通道电荷放大器相连。
2.根据权利要求1所述基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，其特征在于，还包括驱动信号源，与所述动态力驱动源相连。
3.根据权利要求1或2所述基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，其特征在于，所述动态力驱动源为电磁激振器。
4.根据权利要求1所述基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，其特征在于，所述样品加载头包括上加载头与下加载头，所述上加载头通过第一连杆与所述静载荷测量单元相连，所述下加载头通过第二连杆与所述动态力传感器相连。
5.根据权利要求1所述基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，其特征在于，所述样品加载头、静载荷测量单元、动态力驱动源、动态力传感器在竖直方向上处于同一个轴线。
6.根据权利要求1所述基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，其特征在于，还包括支座，由底座、与所述底座平行的顶部以及用于连接所述底座与顶部的连杆；所述底座用于放置所述动态力驱动源，所述顶部用于与所述静载荷测量单元相连。
7.根据权利要求6所述基于动态力直接测量的压电应变常数测量装置，其特征在于，所述连杆上设有调节手柄，用于改变所述底座与顶部之间的距离，调节所述待测压电材料上的静载荷力。
8.一种基于动态力直接测量的压电应变常数测量方法，其特征在于，包括: 在样品加载头上固定待测压电材料，并向所述待测压电材料施加静载荷力； 将位于所述样品加载头与动态力驱动源之间的动态力传感器以及所述待测压电材料都与电荷放大器相连，并将所述电荷放大器与数据采集器相连； 驱动所述动态力驱动源； 根据所述数据采集器输出的数据获取动态力的大小以及待测压电材料输出电荷的大小； 根据所述电荷与所述动态力的比值，得到待测压电材料的压电应变常数。
9.根据权利要求8所述基于动态力直接测量的压电应变常数测量方法，其特征在于，在向所述待测压电材料施加静载荷力时，使所述待测压电材料上的静载荷力达到I ON。
10.根据权利要求8所述基于动态力直接测量的压电应变常数测量方法，其特征在于，利用90Hz?200Hz的电压信号驱动所述动态力驱动源。
【文档编号】G01R29/22GK104502737SQ201410837278
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】何龙标, 杨平, 牛锋, 钟波, 许欢, 冯秀娟 申请人:中国计量科学研究院