一种微细压电陶瓷管径向位移的测试方法及装置

1.本发明属于压电陶瓷测试技术领域，具体涉及一种微细压电陶瓷管径向位移的测试方法及装置。


背景技术：

2.压电材料(包含陶瓷和单晶)是一类可以实现机-电能量转换的极其重要的功能材料。其中以钙钛矿结构锆钛酸铅(pb(zr，ti)o3，pzt)为典型代表的压电陶瓷，是压电传感器、致动器、换能器等功能器件的核心敏感材料，基于压电陶瓷的压电器件已经广泛地应用于航空航天、核电、能源、医疗、电子信息等各个领域。在各类压电陶瓷元件中，微细压电陶瓷管由于其具有尺寸微小(内径≤1mm，壁厚≤0.5mm)、对称性高以及驱动模态多样等特点，而被广泛应用于精密驱动控制领域。在半导体、集成电路、高端医疗、精密仪器等领域发挥着非常重要的作用。微细压电陶瓷管的驱动模式主要分为轴向模式、径向模式以及横向模式，其中驱动电压与极化方向均沿陶瓷管壁厚方向的径向模式是最为重要的驱动模式，具有径向驱动模式的微细压电陶瓷管在极紫外光刻光源制造、气雾发生、心血管支架外周支架喷涂、球囊喷涂、3d打印以及微球制作等方面有着广泛的应用，是非常重要的一类微型精密驱动元件。与其它压电元件如压电陶瓷片、压电陶瓷环以及中大型压电陶瓷管(内径》5cm)类似，为了保证微细压电陶瓷管的稳定可靠使用，需要对其压电性能进行准确表征与评价。
3.常规压电材料压电性能的表征主要分为两类，一类是基于电荷量测量的正压电效应系数如d
33
、d
31
等的表征，第二类是基于位移测量的逆压电效应系数如等的表征。当前针对这些物理量的测量方法主要分为以下几种：准静态法、动态谐振法、激光干涉测微法等。准静态法与动态谐振法均是针对正压电系数的测量，具体来说准静态法是通过对压电材料施加一个动态力，然后测量产生的电荷量，根据参考样品的压电系数来计算得到压电(应变)常数。动态谐振法测试则是通过对陶瓷元件施加一定频率范围的小信号交流电压来激发电谐振，然后测得相应振动模态的谐振与反谐振峰，利用理论公式计算来得到压电材料的各类压电参数，包括机电耦合系数、压电常数等。激光干涉测微法则是面向逆压电系数的测量，其具体原理为通过激光干涉仪精确测量一定电压驱动下压电材料表面的位移值，然后计算得到或等。
4.然而，针对此类径向驱动的微细压电陶瓷管，上述三类测量方式目前均无法有效、准确、便利的评价其压电性能。准静态法主要用于常规压电片、压电环以及大型压电陶瓷管管壁压电常数的测量，且其测试精度与稳定性受参考样品的影响较大。对于微细压电陶瓷管来说，由于其形状特殊，尺寸过于微小，很难设计相应夹具通过准静态法来准确表征其管壁的压电系数。动态谐振法具有良好的适用性，对压电材料或元件的尺寸没有特殊要求，可以用于微细压电陶瓷管压电性能的评价，然而其有以下不足：(1)主要用于测取机电耦合系数，该参数主要用于压电换能器的性能评价，不能直接反应微细压电陶瓷管的驱动性能；(2)微细陶瓷管谐振模态复杂多样，多种模态耦合导致谐振与反谐振频率测量不准确，影响
测试结果；(3)通过机电耦合系数计算微细陶瓷管压电参数的理论公式复杂，且涉及多个压电参数耦合，不利于计算。激光干涉测微法主要测量的为压电材料或元件表面的位移，然而，微细压电陶瓷管外表面为圆柱，其表面的位移沿径向，现有的测试夹具无法对该量进行准确的测量。


技术实现要素：

5.针对上述常规方法在微细压电陶瓷管径向位移测试中的不足，本发明提供了一种微细压电陶瓷管径向位移的测试方法及装置。
6.具体来说，第一方面，本发明提供了一种微细压电陶瓷管径向位移的测试装置，所述测试装置包括：固定支架；样品台，所述样品台安装于固定支架上；正极电压输入杆和负极电压输入杆，所述正极电压输入杆和负极电压输入杆对微细压电陶瓷管提供电压；上活动杆，所述上活动杆垂直设置于样品台的正上方，且所述上活动杆上设有连接盘；连接弹簧，所述连接弹簧连接所述固定支架和所述连接盘，使得上活动杆可以沿固定支架垂直的方向上下运动；测微仪，所述测微仪设置于所述上活动杆的正上方以检测所述上活动杆顶端的垂直上下位移量。
7.较佳地，测试装置还包括平面镜，所述平面镜设置于所述上活动杆的顶端，且所述测微仪检测所述平面镜的垂直上下位移量。
8.较佳地，测试装置还包括信号放大器，所述信号放大器分别连接所述正极电压输入杆和负极电压输入杆，并将电压信号进行放大后分别输出到所述正极电压输入杆和负极电压输入杆。
9.较佳地，测试装置还包括信号发生器，所述信号发生器连接信号放大器，通过信号放大器分别向正极电压输入杆和负极电压输入杆输出一定波形、频率、幅值的电压。
10.较佳地，测试装置还包括计算机，所述计算机分别连接所述信号放大器、信号发生器和测微仪；所述计算机控制信号发生器和信号放大器的信号输出，并且读取测微仪的检测信号。
11.较佳地，样品台可沿垂直方向进行高度调整，且所述样品台的台面中心位置加工有半圆弧槽。
12.较佳地，连接盘紧固于上活动杆且与其同心，所述连接盘的初始位置为上活动杆的下行限制位置，所述连接盘处于初始位置时，连接弹簧处于原长状态。
13.较佳地，固定支架包括限位孔，所述上活动杆穿过所述限位孔，使得所述上活动杆底端位于固定支架内部，顶端位于固定支架外部。
14.第二方面，本发明提供了一种利用上述测试装置进行微细压电陶瓷管径向位移测量的方法，包括以下步骤：将微细压电陶瓷管的内外电极引线分别与正极电压输入杆、负极电压输入杆连接；移动样品台至最低高度，将微细压电陶瓷管置于所述样品台上，向上调整样品台高度使得微细压电陶瓷管与上活动杆的下水平端面接触，并且与上活动杆连接的弹簧处于压缩状态；开启测微仪，调整光路使其满足测试条件并初始化；
向正极电压输入杆、负极电压输入杆施加一定波形、频率、幅值的电压；利用测微仪测量所述上活动杆顶端的垂直位移。
15.较佳地，向正极电压输入杆、负极电压输入杆施加的电压为三角波，其频率为2-3hz，幅值为100v，且所述电压多次循环。
16.有益效果本发明提供的微细压电陶瓷管径向位移的测试方法及装置，结构简单、设计巧妙、易于实现，将难以测量的圆管径向位移转化为易于测量的水平镜纵向单自由度位移，且进行了两倍放大，进一步降低了测试难度，通过激光干涉测微仪的高精密测距即可较为准确地对微细压电陶瓷管的径向位移进行测量。
附图说明
17.图1为本发明提供的微细压电陶瓷管径向位移测试装置示意图；图2为本发明提供的微细压电陶瓷管径向位移测试装置测试原理示意图；图3为实施例1中pzt-5a微细压电陶瓷管径向位移测试结果示意图；图4为实施例2中pzt-4微细压电陶瓷管径向位移测试结果示意图；附图标记：1-固定支架；2-样品台；3-上活动杆；4-连接盘；5-连接弹簧；6-平面镜；7-激光干涉测微仪；8-正极电压输入杆；9-负极电压输入杆；10-信号放大器；11-信号发生器；12-计算机。
具体实施方式
18.以下通过实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
19.本发明以测量微细压电陶瓷管重要性能指标-一定电压加载下的径向位移为目标，提出了一种微细压电陶瓷管径向位移的测试方法及装置。
20.以下结合附图1示例性说明本发明所提供的微细压电陶瓷管径向位移的测试装置。
21.所述测试装置主要包括：固定支架1；样品台2；上活动杆3；连接盘4；连接弹簧5；平面镜6；激光干涉测微仪7；正极电压输入杆8；负极电压输入杆9；信号放大器10；信号发生器11；计算机12。
22.所述整个测试装置放置于水平台面上。固定支架1为框架结构，其大致呈立方体，中间部分中空以容纳样品台2、上活动杆3、正极电压输入杆8、负极电压输入杆9等部件。固定支架1使用铝合金制备，样品台2固定于固定支架1上。样品台2的台面可根据需要沿垂直于水平面的纵向进行高度调整，所述样品台2表面中心位置加工有半圆弧槽，起到固定微细压电陶瓷管的作用。所述样品台2的尺寸、形状、最大垂直位移量以及所述样品台2表面中心位置的半圆弧槽的半径、槽长等可以根据实际测量需要进行调整。在一些实施方式中，所述样品台2可以为半径5mm、厚度5mm的圆形台面，最大垂直位移量可以设置为50mm。所述圆形台面加工的半圆弧槽的圆弧半径可以为1.5mm，弧槽通过圆形台面圆心，槽长可以为10mm。
23.固定支架1的框架结构上开设限位孔，上活动杆3穿过限位孔，使得其底端位于固
定支架1内部，其顶端位于固定支架1外部。限位孔的位置位于样品台2的正上方，使得所述上活动杆3通过限位孔与固定支架1活动连接且位于样品台2的正上方，并且可沿垂直于水平面的纵向进行一定范围的上下移动。上活动杆3的杆身又与一固定于固定支架1的连接弹簧5相连接，该弹簧沿纵向垂直放置，对上活动杆3作用力的方向同样沿纵向垂直。所述上活动杆3上紧固有与其同心的连接盘4，所述连接盘4的初始位置即为其下行限制位置，处于此位置时，连接弹簧5处于原长状态。由图1可见，连接弹簧5连接固定支架1和连接盘4，间接使得上活动杆3连接到固定支架1，并且上活动杆3可以沿固定支架1垂直上下运动。作为本发明的一种实施方式，连接弹簧5设置在连接盘4的上表面和固定支架1的框架结构的下表面之间，但本发明并不以此为限，在其他实施方式中，连接弹簧5还可以设置在连接盘4的下表面和固定支架1的框架结构的上表面之间。
24.在一些实施方式中，上活动杆3的长度可以为100mm、端面半径可以为5mm；连接盘4直径可以为40mm，厚度为10mm。所述连接盘4的垂直位移范围为0-20mm，其初始位置即为下行限制位置，此时上活动杆3下端距离样品台2初始最低位置的距离为10mm。
25.在一些实施方式中，所述连接弹簧5原长为25mm，劲度系数为10n/m，用以连接固定支架1与紧固于上活动杆3上的连接盘4。
26.所述上活动杆3的上端与一水平镜6刚性连接，水平镜6可随上活动杆3的上下位移而垂直移动。所述上活动杆3下端头为水平表面，通过调节样品台2的高度该水平表面可与陶瓷管接触。所述水平镜6呈圆形，半径可以为10mm。
27.所述电压输入杆分为正极电压输入杆8与负极电压输入杆9，两者均固定于固定支架1上，且与所述信号放大器10连接，信号放大器10又与信号发生器11连接。所述信号发生器11能够起到向正、负极电压输入杆施加一定波形、频率、幅值的电压的作用。信号发生器11通过信号放大器10将电压信号进行放大后分别输出到所述正极电压输入杆8和负极电压输入杆9。在一些实施方式中，所述正、负极电压输入杆8、9可以均设置为端面半径2.5mm、长度20mm的铝合金圆柱。
28.所述激光干涉测微仪7设置于上活动杆3的正上方，用以检测上活动杆3顶端的垂直位移。为了便于测量，本发明在上活动杆3的顶端设置平面镜6，因此激光干涉测微仪7也相应固定于所述平面镜6的正上方，用以测量平面镜6的垂直纵向位移。在一些实施方式中，所述激光干涉测微仪7可以放置于平面镜6正上方100mm处。
29.所述激光干涉测微仪7、信号发生器11及信号放大器10均可与计算机12连接进行控制。所述计算机控制信号发生器11和信号放大器10的信号输出，并且读取测微仪7的检测信号。
30.本发明还公开一种利用上述测试装置进行微细压电陶瓷管径向位移测量的方法，其主要包括以下步骤。
31.s1)将微细压电陶瓷管的内外电极引线根据实际需要分别与正极电压输入杆8及负极电压输入杆9连接。
32.s2)移动样品台2至最低高度，将微细压电陶瓷管置于所述样品台2的圆弧槽中，向上调整位移台高度使得陶瓷管与上活动杆3的下水平端面接触并保证与所述上活动杆3连接的弹簧处于压缩状态。
33.s3)开启激光干涉测微仪7，调整光路使其满足测试条件并初始化。
34.s4)开启信号发生器11向正、负极电压输入杆8、9施加一定波形、频率、幅值的电压。
35.s5)通过激光干涉测微仪7测量与上活动杆3上端刚性硬连接的平面镜6的垂直纵向位移δl，并计算微细压电陶瓷管表面的径向位移s＝δl/2。
36.本发明提供的微细压电陶瓷管径向位移测量方法的原理如附图2所示。压电陶瓷管放置于样品台与上活动杆间，黑色环表示初始位置，灰色环表示施加电压陶瓷管发生形变后的实时位置。由图2可知，d0为圆管初始外直径，当圆管外管壁沿径向发生均匀伸缩s，圆管的外直径变为d1＝d0+2*s，则刚性水平台上下移动的距离δl＝d
1-d0＝2*s，故外管壁的位移量s＝δl/2。
37.通过上述步骤可见，本发明通过将上活动杆3抵靠在待测样品(微细压电陶瓷管)的上表面，再对待测样品施加电压以使得待测样品发生形变，最终通过检测上活动杆3的顶端位移来间接计算待测样品的形变程度。本发明的检测方法首先解决了准静态法无法测量微小尺寸的微细压电陶瓷管的问题。此外，本发明仅需检测一组参数关系，即电压-位移关系，并且由于电压是测试输入量，本发明最终只需检测上活动杆3顶端的位移量即可，因此极大地简化了微细压电陶瓷管径向位移的检测复杂度。
38.另一方面，为了更精确地检测上活动杆3顶端的位移量，本发明在上活动杆3顶端设置水平镜6，并通过上活动杆3(水平镜6)上方的激光干涉测微仪7来检测该位移量，这样的检测手段正是为了对应待测样品(微细压电陶瓷管)本身尺寸微小且不易观测的特点。
39.下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围，下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例。
40.实施例1
41.测试装置。本实施例采用的测试装置结构示意图如图1所述，其中：可升降样品台为半径5mm、厚度5mm的圆形台面，最大垂直位移量为50mm；样品台上的半圆弧槽的半径为1.5mm，槽长为10mm；上活动杆长度为100mm、端面半径为5mm，通过限位孔固定于样品台的正上方，其上紧固有同心连接盘，连接盘直径为40mm、厚度为10mm，其垂直位移范围为0-20mm，其初始位置即为下行限制位置，处于此位置时，上活动杆下端距离样品台初始位置即最低位置10mm，且连接弹簧处于原长状态；平面镜呈圆形，半径为10mm，固定于上活动杆上端头；连接弹簧原长为25mm，劲度系数为10n/m，用以连接固定支架与紧固与上活动杆上的连接盘；正、负极电压输入杆均为端面半径2.5mm、长度20mm的铝合金圆柱；激光干涉测微仪、信号发生器及信号放大器则均为德国铁电分析仪所带配件，其中激光干涉测微仪放置于平面镜正上方100mm处。激光干涉测微仪、信号发生器及信号放大器均与计算机连接进行控制。
42.通过上述测试装置，对一外径1.2mm、内径0.76mm、长度15mm、沿径向极化的pzt-5a压电陶瓷管进行径向位移测试，具体流程如下：1)首先将压电陶瓷管的内外电极引线根据实际需要分别与正极柱及负极柱连接；2)将样品台调至最低高度，将微细压电陶瓷管置于所述样品台的圆弧槽中，将样品台面向上移动12mm，此时陶瓷管与上活动杆的下水平端面接触且连接弹簧处于压缩状态；
3)开启激光干涉测微仪，调整激光器位置使得反射光强度大于百分之八十，而后选取量程为10μm；4)开启信号发生器，设置驱动电压的波形为三角波，频率为2hz，幅值为100v，循环次数为100次；5)启动测试，通过激光干涉测微仪测得的该压电陶瓷管在上述电压驱动下的径向位移数据；6)完成测试，保存数据，关闭电源，将样品台台面重新调整至最低高度，取出样品。
43.如图3所示，即为该压电陶瓷管在频率2hz，幅值100v的三角波激励下的径向位移值。
44.实施例2
45.测试装置。同实施例1。
46.通过上述装置，对一外径1.3mm、内径0.8mm、长度15mm、沿径向极化的pzt-4压电陶瓷管进行径向位移测试，具体流程如下：1)首先将压电陶瓷管的内外电极引线根据实际需要分别与正极柱及负极柱连接；2)将样品台调至最低高度，将微细压电陶瓷管置于所述样品台的圆弧槽中，将样品台面向上移动12mm，此时陶瓷管与上活动杆的下水平端面接触且连接弹簧处于压缩状态；3)开启激光干涉测微仪，调整激光器位置使得反射光强度大于百分之八十，而后选取量程为10μm；4)开启信号发生器，设置驱动波形为三角波，频率为3hz，幅值为100v，循环次数为80次；5)启动测试，通过激光干涉测微仪测得的该压电陶瓷管在上述电压驱动下的径向位移数据；6)完成测试，保存数据，关闭电源，将样品台台面重新调整至最低高度，取出样品。
47.如图4所示，即为该压电陶瓷管在频率3hz，幅值100v的三角波激励下的径向位移值。可以看出，该设备与方法可以对微细压电陶瓷管纳米级径向位移进行准确测量。
48.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。