一种动态测量压电材料高温压电系数的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压电材料的测试技术领域，涉及一种动态测量压电材料高温压电系数 的方法。
【背景技术】
[0002] 压电材料（包含陶瓷和单晶）是实现机-电能量转换和耦合的一类极其重要的 功能材料，在航空航天、电子信息、能源、先进制造、医疗系统和武器装备等领域有广泛的应 用。近年来，我国在航空航天、能源、医疗和空间技术等领域发展十分迅速，对其中关键功能 部件提出了越来越苛刻的要求。在一些领域应用的压电器件如声波测井仪、超声电机、高温 压电振动传感器等的一个共同特点就是工作环境温度高，这就要求压电材料在高温下能稳 定、可靠的工作。
[0003] 压电系数是表征压电材料性能的一个重要参数。根据现行国家标准GB/ T3389-2008和GB/T11309-1989,采用静态和准静态方法都只能测量压电材料在室温时 的压电系数。而对压电材料在高温时压电系数的测量，国内外尚无相应的测试方法和 标准，也没有成熟的测试装置。目前，文献报道的通行替代方法是先将压电材料样品 在不同温度下进行退极化处理，待样品冷却至室温后，采用静态或者准静态方法测量 其压电系数，然后通过压电系数的变化来评价压电材料压电性能的温度稳定性（Adv. Mater. 2005, 17:1261-1265)。该方法可在一定程度上通过压电系数的变化来反映压电材料 的温度稳定性，但是还远不能满足实际应用中实时测量高温压电系数的要求。因此，如何实 现在不同温度下实时测量压电材料的压电系数，进而评价其温度稳定性，是高温压电材料 及其相关器件研制过程中的关键难题。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在填补现有技术无法直接在高温条件下测量压电材料的压电系数的技 术空白，本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法。
[0005] 本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，包括： 1) 制备采用待测压电材料作为压电片的压电加速度传感器； 2) 将压电加速度传感器固定在振动台上； 3) 将压电加速度传感器加热至规定温度，并在该规定温度下使得振动台输出规定加速 度； 4) 测量出在规定温度、以及规定加速度下传感器输出端的输出电荷量，并根据电荷量 与压电系数之间的关系式，计算得到压电材料在规定温度下的压电系数。
[0006] 较佳地，当单片待测压电材料的压电系数小于30pC/N时，制备采用并联的多片待 测压电材料作为压电片的压电加速度传感器，并采用上述方法测量待测压电材料在规定温 度下的压电系数。
[0007] 较佳地，并联的多片待测压电材料的压电系数大于50pC/N。
[0008] 较佳地，压电加速度传感器包括压缩式压电加速度传感器。
[0009] 较佳地，振动台选自符合国家标准GB/T18328-2001的振动台。
[0010] 较佳地，采用可升降式高温加热炉将压电加速度传感器加热至规定温度。
[0011] 较佳地，加热压电加速度传感器的过程中，升温速率为2~5°C/分钟，在规定温度 下保温10~30分钟后，再使得振动台输出规定加速度。
[0012] 较佳地，输出电荷量通过前置放大器后，再用于计算压电系数。
[0013] 较佳地，所述电荷量与压电系数之间的关系式包括：采用输出电荷量与加速度计 算传感器电荷灵敏度的公式、采用作用于压电片的外力、压电系数计算压电片输出电荷量 的公式、以及采用质量块的质量和加速度计算施加于压电片外力的公式。
[0014] 本发明的有益效果： 采用本发明所述方法可动态测量压电材料在不同温度时的压电系数，克服了目前采用 传统方法只能测量压电材料在温室时的压电系数，而无法获得不同温度时的压电系数的这 一关键难题，为压电材料的实际高温应用起到了重要的推进作用。
【附图说明】
[0015] 图1示出了本发明的一个实施方式中采用的压缩式压电加速度传感器结构原理 示意图； 图2示出了本发明的一个实施方式中测得的不同温度下PNB压电陶瓷的压电系数； 图3示出了本发明的一个实施方式中测得的不同温度下CBT压电陶瓷的压电系数。
【具体实施方式】
[0016] 以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式 仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0017] 为了解决目前在实时原位测量压电材料高温压电系数方面没有相应的测试方法 这一难题，本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，以满足高温压电材 料及相关器件研制过程中对高温电压系数和温度稳定性的评价要求，为压电材料在高温领 域的实际应用起到了推进作用。
[0018] 本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，该测试方法基于下述 电学和力学的基本原理。
[0019] 图1为压缩式压电加速度传感器结构原理示意图。其工作原理是，在测量时，将传 感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块 的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此，质量块感受到与传感器基座相同的振 动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变电 压。当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦 即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器就可以用相 应的测量仪器测出试件的加速度等参数。
[0020] 压电加速度传感器的灵敏度是指其输出电量（电荷或者电压）与输入量（加速 度）的比值，是表征传感器性能的一个重要指标。常用电荷灵敏度s q表示，即
【主权项】
1. 一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，其特征在于，包括： 1) 制备采用待测压电材料作为压电片的压电加速度传感器； 2) 将压电加速度传感器固定在振动台上； 3) 将压电加速度传感器加热至规定温度，并在该规定温度下使得振动台输出规定加速 度； 4) 测量出在规定温度、以及规定加速度下传感器输出端的输出电荷量，并根据电荷量 与压电系数之间的关系式，计算得到压电材料在规定温度下的压电系数。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当单片待测压电材料的压电系数小于 30pC/N时，制备采用并联的多片待测压电材料作为压电片的压电加速度传感器，并采用上 述方法测量待测压电材料在规定温度下的压电系数。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，并联的多片待测压电材料的压电系数大 于 50pC/N。
4. 根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，压电加速度传感器包括压缩式 压电加速度传感器。
5. 根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，振动台选自符合国家标准GB/ T18328-2001的振动台。
6. 根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，采用高温加热炉将压电加速度 传感器加热至规定温度。
7. 根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，加热压电加速度传感器的过程 中，升温速率为2~5°C/分钟，在规定温度下保温10~30分钟后，再使得振动台输出规定加 速度。
8. 根据权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，输出电荷量通过前置放大器后， 再用于计算压电系数。
9. 根据权利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于，所述电荷量与压电系数之间的 关系式包括：采用输出电荷量与加速度计算传感器电荷灵敏度的公式、采用作用于压电片 的外力、压电系数计算压电片输出电荷量的公式、以及采用质量块的质量和加速度计算施 加于压电片外力的公式。
【专利摘要】本发明提供了一种动态测量压电材料高温压电系数的方法，包括：1）制备采用待测压电材料作为压电片的压电加速度传感器；2）将压电加速度传感器固定在振动台上；3）将压电加速度传感器加热至规定温度，并在该规定温度下使得振动台输出规定加速度；4）测量出在规定温度、以及规定加速度下传感器输出端的输出电荷量，并根据电荷量与压电系数之间的关系式，计算得到压电材料在规定温度下的压电系数。采用本发明所述方法可动态测量压电材料在不同温度时的压电系数。
【IPC分类】G01R29-22
【公开号】CN104698295
【申请号】CN201510116533
【发明人】周志勇, 李玉臣, 李鑫, 董显林
【申请人】中国科学院上海硅酸盐研究所
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月17日