專利名稱：測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵電與壓電材料測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種同時(shí)測量鐵電材料壓電
常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的裝置和方法。
背景技術(shù)：
鐵電與壓電材料是一類重要的、國際競爭極為激烈的高技術(shù)材料，在信息、激光、 導(dǎo)航和生物等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于其具有較高的力電轉(zhuǎn)換效率及良好的性能可調(diào) 控性，因而在汽車的點(diǎn)火啟動(dòng)裝置、航空航天自適應(yīng)機(jī)翼的控制、微小馬達(dá)以及微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)，都離不開鐵電與壓電材料。對于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，其電性能的測量與表征， 主要包括大測試信號的電滯回線(極化強(qiáng)度-電場回線)，以及應(yīng)變回線(應(yīng)變-電場回 線)；同時(shí)也包括小測試信號的壓電常數(shù)回線(壓電應(yīng)變常數(shù)(133-直流電場回線)和介電 常數(shù)回線"33_直流電場回線)。 小測試信號回線的測量是在大直流測試信號回線的測量過程中附加一個(gè)小的交
流信號測試鐵電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)，并進(jìn)行周期測量以形成回線。對于一定直流
偏壓電場情況下的小交流信號引起的應(yīng)變測量，現(xiàn)有的測量方法包括激光干涉法、光纖法、
差動(dòng)變壓器式位移傳感器等。對于頻率較高的交流信號，光纖法比較有效。 小測試信號的壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線相比大測試信號的電滯回線和應(yīng)變
回線，可以更好地表征鐵電壓電材料的性能參數(shù)及其使用過程中的變化情況；同時(shí)測量鐵
電材料的壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線也非常有意義。另外，在與鐵電材料可靠性相關(guān)的
疲勞研究過程中，同時(shí)測量小信號下的壓電性能參數(shù)和介電性能參數(shù)的變化對于揭示鐵電
體力電失效機(jī)理相當(dāng)重要。 目前國內(nèi)還沒有同步測試壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的測試系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)中所描述的目前鐵電材料測試技術(shù)領(lǐng)域存在的問
題，提出了一種同時(shí)測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的裝置和方法。 所述裝置包括測試信號輸出、壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線測量以及設(shè)備控制與
數(shù)據(jù)采集處理三個(gè)部分，其特征在于，所述測試信號輸出部分由直流信號輸出部分和交流
信號輸出部分組成，其中 直流信號輸出部分包括直流高壓源、示波器和開關(guān)，直流高壓源分別與示波器和 計(jì)算機(jī)相連，并通過開關(guān)與標(biāo)準(zhǔn)電容一 (201)相連； 交流信號輸出部分包括交流電源和變壓器，交流電源分別與計(jì)算機(jī)和變壓器相 連，變壓器與標(biāo)準(zhǔn)電容一相連； 所述壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線測量部分包括標(biāo)準(zhǔn)電容一、標(biāo)準(zhǔn)電容二 (203)、 待測樣品和光纖傳感器，標(biāo)準(zhǔn)電容二與待測樣品在電路中串聯(lián)構(gòu)成測試電路，標(biāo)準(zhǔn)電容一 與該測試電路并聯(lián)，光纖傳感器與待測樣品相連；
所述設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分包括鎖相放大器和計(jì)算機(jī)，鎖相放大器分別與 標(biāo)準(zhǔn)電容二、光纖傳感器以及計(jì)算機(jī)相連。 所述標(biāo)準(zhǔn)電容一的電容值為4 ii F-10 ii F，耐壓2000V。 測量鐵電材料壓電和介電常數(shù)回線的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一 直流高壓源給標(biāo)準(zhǔn)電容器一充電，然后通過該電容放電至待測樣品和標(biāo)
準(zhǔn)電容二組成的測試電路兩端； 同時(shí)，交流電源提供小的正弦測試信號并通過變壓器施加于測試電路；
步驟二 通過鎖相放大器采集標(biāo)準(zhǔn)電容二兩端電壓信號； 通過光纖傳感器采集待測樣品應(yīng)變并轉(zhuǎn)化為電壓信號，并使用鎖相放大器對電壓 信號進(jìn)行采集； 步驟三將上述信號輸入到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過計(jì)算處理輸出壓電常數(shù)回線和介電常 數(shù)回線的圖像和數(shù)據(jù)文件。
所述標(biāo)準(zhǔn)電容二的電容值約1 F，遠(yuǎn)大于待測樣品的電容量。 所述直流高壓源產(chǎn)生的直流電壓每步間隔為50V-200V，直流電壓的施加時(shí)間為
2s-8s。 所述交流電源包括交流信號發(fā)生器和交流信號放大器。 所述交流信號發(fā)生器產(chǎn)生交流電壓1V-5V，頻率為100Hz-2kHz，經(jīng)過交流信號放 大器放大后電壓范圍為10V-200V。 所述壓電常數(shù)回線或介電常數(shù)回線的測量時(shí)間周期為500s-800s。
所述介電常數(shù)的測量采用Sawyer-Tower電路。
本發(fā)明的有益效果是 1.采用相對簡單的由待測樣品和標(biāo)準(zhǔn)線性電容串聯(lián)組成電路測量壓電常數(shù)回線 和介電常數(shù)回線。 2.直流高壓的施加通過標(biāo)準(zhǔn)電容一來實(shí)現(xiàn)，這樣防止了較大電壓對小測試信號的 影響，同時(shí)起到了保護(hù)作用。 3.小交流電壓的施加通過變壓器來實(shí)現(xiàn)，這樣防止了較大直流電壓對交流電源的 影響，起到了保護(hù)作用。 4.采用光纖傳感器測量鐵電材 的應(yīng)變，在高頻測試信號下實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測量。
5.壓電常數(shù)回線與介電常數(shù)回線兩者測試互不干擾，但同時(shí)采集數(shù)據(jù)，可通過軟 件實(shí)時(shí)對比分析樣品壓電和介電性能參數(shù)變化。


圖1 :測量裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
圖2 :測量電路示意圖； 圖3 :設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集處理過程示意圖； 圖4a :本發(fā)明實(shí)施例中同時(shí)測量得到的鐵電陶瓷樣品的壓電常數(shù)回線；
圖4b :本發(fā)明實(shí)施例中同時(shí)測量得到的鐵電陶瓷樣品的介電常數(shù)回線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。 本發(fā)明提供一種同時(shí)測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的測試方法和測試裝置，本裝置控制系統(tǒng)的源程序使用Labview編程，通過VISA遠(yuǎn)程控制直流高壓源(Trek)和鎖相放大器(Stanford Research System 830)，同時(shí)通過DAQ進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；軟件部分使用兩個(gè)DAQ，分別在觸發(fā)信號和等待觸發(fā)兩個(gè)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可分別實(shí)現(xiàn)信號監(jiān)控和信號采集處理；程序通過在采樣點(diǎn)對壓電常數(shù)和介電常數(shù)進(jìn)行測量，并自動(dòng)保存ASCII數(shù)據(jù)文件和回線圖；同時(shí)在界面上顯示壓電常數(shù)、介電常數(shù)值和兩個(gè)回線。
測試樣品使用PIC151(PI Ceramics, Lederhose， Germany)陶瓷樣品，樣品厚度d=lmm，電極面積S = 0. 7854cm2，實(shí)驗(yàn)測試周期為500s-800s。 圖1所示為同時(shí)測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的測試裝置，包括測試信號輸出部分1、壓電常數(shù)和介電常數(shù)回線測量部分2以及設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分3。
其中，測試信號輸出部分1的直流高壓源101分別連接示波器102和開關(guān)103 ;裝置通過示波器102監(jiān)測直流高壓源101信號，保證信號正確和實(shí)驗(yàn)安全。交流電源(104)包括交流信號發(fā)生器和交流信號放大器，交流信號發(fā)生器由計(jì)算機(jī)控制提供小交流信號并通過交流信號放大器放大，通過變壓器后產(chǎn)生新的交流信號施加于測試電路中，如圖2所示。
壓電常數(shù)和介電常數(shù)回線測量部分2主要由待測樣品202和標(biāo)準(zhǔn)電容二 203串聯(lián)組成，如圖2所示。介電常數(shù)回線測量直接使用鎖相放大器301的輸入部分對標(biāo)準(zhǔn)電容二 203兩端的電壓信號進(jìn)行采集并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，樣品電量與標(biāo)準(zhǔn)電容帶電量相等，而Q =CV，故CXVX = C。V。，其中C。和V。分別為標(biāo)準(zhǔn)電容二的電容和電壓，Cx和Vx分別為待測電容
的電容和電壓，c。值遠(yuǎn)大于c;。鎖相放大器與標(biāo)準(zhǔn)電容二并聯(lián)，其兩端電壓等于v。，故c;=c。v。/vx，因此只需通過鎖相放大器探測v。，采集到計(jì)算機(jī)讀出數(shù)值，就可以計(jì)算出樣品的電
容數(shù)值進(jìn)而測得樣品的介電常數(shù)，將在不同的直流偏壓電場下(該間斷性的直流電場形成周期性三角波電場)測得的介電常數(shù)采集到計(jì)算機(jī)，從而測量得到鐵電材料的介電常數(shù)回線。 壓電常數(shù)回線通過光纖傳感器204采集待測樣品202的應(yīng)變信號并轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出到鎖相放大器301的輸入部分，如圖2所示。得到的應(yīng)變值S與待測樣品所施加的交流電場相比即可得到樣品的壓電常數(shù)。 將在不同的直流偏壓電場下(該間斷性的直流電場形成周期性三角波電場)測得的壓電常數(shù)采集到計(jì)算機(jī)，從而測量得到鐵電材料的壓電常數(shù)回線。 直流信號輸出部分產(chǎn)生直流電壓每步間隔為50V-200V。直流電壓的施加時(shí)間為2s-8s。 一個(gè)回線測量時(shí)間周期為500s-800s。產(chǎn)生測試波形信號為階越型三角波。
交流信號輸出部分產(chǎn)生交流電壓1V-5V、頻率為100Hz-2kHz。經(jīng)過交流放大器放大后電壓范圍為10V-200V。產(chǎn)生測試波形信號為正弦波。 數(shù)據(jù)采集通過使用鎖相放大器，將直流高壓源的測試電壓信號、介電常數(shù)回線測量中采集到的電壓信號以及壓電常數(shù)回線中從光纖傳感器采集到的電壓信號分別從三個(gè)模擬輸入通道同時(shí)進(jìn)行采集，如圖3所示。 實(shí)際測量過程為直流高壓源(Trek) 101產(chǎn)生的直流電源測試信號輸入到計(jì)算機(jī)302，同時(shí)施加于標(biāo)準(zhǔn)電容一 201上，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電容一 201放電后施加于由待測樣品202和標(biāo)準(zhǔn)電容二 203組成的電路上。標(biāo)準(zhǔn)電容二 203兩端的電壓經(jīng)鎖相放大器301的輸入部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸入到計(jì)算機(jī)302 ;同時(shí)光纖傳感器204探測交流應(yīng)變，并將信號轉(zhuǎn)化為電壓信號后，再通過鎖相放大器301的輸入部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸入到計(jì)算機(jī)302 ;最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理，得到壓電常數(shù)、介電常數(shù)等數(shù)據(jù)，并得到壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線，測量結(jié)果如圖4所示。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的裝置，包括測試信號輸出、壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線測量以及設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理三個(gè)部分，其特征在于，所述測試信號輸出部分由直流信號輸出部分和交流信號輸出部分組成，其中直流信號輸出部分包括直流高壓源、示波器和開關(guān)，直流高壓源分別與示波器和計(jì)算機(jī)相連，并通過開關(guān)與標(biāo)準(zhǔn)電容一(201)相連；交流信號輸出部分包括交流電源和變壓器，交流電源分別與計(jì)算機(jī)和變壓器相連，變壓器與標(biāo)準(zhǔn)電容一相連；所述壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線測量部分包括標(biāo)準(zhǔn)電容一、標(biāo)準(zhǔn)電容二(203)、待測樣品和光纖傳感器，標(biāo)準(zhǔn)電容二與待測樣品在電路中串聯(lián)構(gòu)成測試電路，標(biāo)準(zhǔn)電容一與該測試電路并聯(lián)，光纖傳感器與待測樣品相連；所述設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分包括鎖相放大器和計(jì)算機(jī)，鎖相放大器分別與標(biāo)準(zhǔn)電容二、光纖傳感器以及計(jì)算機(jī)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的裝置，其特征 在于，所述標(biāo)準(zhǔn)電容一的電容值為4 ii F-10 ii F，耐壓2000V。
3. 測量鐵電材料壓電和介電常數(shù)回線的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一 直流高壓源給標(biāo)準(zhǔn)電容一充電，然后通過該電容放電至待測樣品和標(biāo)準(zhǔn)電容 二組成的測試電路兩端；同時(shí)，交流電源提供小的正弦測試信號并通過變壓器施加于測試電路； 步驟二 通過鎖相放大器采集標(biāo)準(zhǔn)電容二兩端電壓信號；通過光纖傳感器采集待測樣品應(yīng)變并轉(zhuǎn)化為電壓信號，并使用鎖相放大器對電壓信號 進(jìn)行采集；步驟三將上述信號輸入到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過計(jì)算處理輸出壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回 線的圖像和數(shù)據(jù)文件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的方法，其特征 在于，所述標(biāo)準(zhǔn)電容二的電容值約1PF，遠(yuǎn)大于待測樣品的電容量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的方法，其特 征在于，所述直流高壓源產(chǎn)生的直流電壓每步間隔為50V-200V，直流電壓的施加時(shí)間為 2s-8s。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的方法，其特征 在于，所述交流電源包括交流信號發(fā)生器和交流信號放大器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的方法，其特征 在于，所述交流信號發(fā)生器產(chǎn)生交流電壓1V-5V，頻率為100Hz-2kHz，經(jīng)過交流信號放大器 放大后電壓范圍為10V-200V。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的方法，其特征 在于，所述壓電常數(shù)回線或介電常數(shù)回線的測量時(shí)間周期為500s-800s。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的方法，其特征 在于，所述介電常數(shù)的測量采用Sawyer-Tower電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于鐵電與壓電材料測試技術(shù)領(lǐng)域的測量鐵電材料壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線的裝置和方法。該裝置包括測試信號輸出、壓電常數(shù)回線測試和介電常數(shù)回線測試以及設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理三部分。通過將標(biāo)準(zhǔn)電容一的放電及小交流信號同時(shí)施加于待測樣品和標(biāo)準(zhǔn)電容二組成的串聯(lián)回路中，采集標(biāo)準(zhǔn)電容二兩端的電壓信號和待測樣品的應(yīng)變信號，并通過計(jì)算機(jī)軟件換算處理得到介電常數(shù)回線和壓電常數(shù)回線。本發(fā)明解決了目前國內(nèi)鐵電壓電材料研究中，沒有同時(shí)測量壓電常數(shù)回線和介電常數(shù)回線儀器的狀況。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、效率高，同時(shí)具有較好的自定義性和擴(kuò)展性，裝配容易、方便實(shí)用。
文檔編號G01B11/16GK101769969SQ201010106190
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者張勇, 戴遐明, 李繼威, 鄧長生, 馬良, 黃春林 申請人:清華大學(xué)