基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置及方法
2023-12-02 06:17:41 2
基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置及方法
【專利摘要】本發明提供一種基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置及方法，該裝置包括：樣品加載頭，用於加載待測壓電材料；靜載荷測量單元，位於樣品加載頭的上方，並與樣品加載頭相連，用於測量待測壓電材料上的靜載荷力；動態力驅動源，位於樣品加載頭的下方；動態力傳感器，位於樣品加載頭與動態力驅動源之間，用於直接測量加載在待測壓電材料兩端的準靜態力大小；雙通道電荷放大器，與動態力傳感器相連，雙通道電荷放大器還用於與待測壓電材料相連；數據採集器，與雙通道電荷放大器相連，用於測量其電荷輸出。本發明採用動態力傳感器直接測量準靜態力的大小避開了參考壓電材料的使用，實現了準靜態法壓電應變常數測量中各參量的直接溯源。
【專利說明】基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及聲學計量測試領域，尤其涉及一種基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]壓電材料的壓電應變常數是衡量其能量轉換效率的重要指標，目前的測量方法分為動態諧振法、準靜態法、基於逆壓電效應的雷射測量法等。動態諧振法對於樣品的尺寸具有嚴格的限制，通過樣品的電學諧振得到其參數，計算過程較為複雜，基於逆壓電效應的雷射測量裝置建立成本較高。準靜態法易於實現，通過準靜態力加載在待測樣品上，根據其加載的準靜態力值大小和輸出的電荷大小得到其壓電應變常數。
[0003]現有技術中，專利號為97231420.2，發明名稱為準靜態法縱向壓電應變常數測量儀的專利文獻，採用內置參考壓電材料，根據參考材料與待測材料輸出電荷之比得到待測壓電材料的壓電應變常數。而參考壓電材料的壓電應變常數是採用動態諧振法獲得，實際上動態諧振法獲得的往往是幾十千赫茲頻率下的壓電應變常數，而準靜態法的頻率通常為10Hz左右，不同的材料其壓電應變常數具有不同的頻率特性。因此，如何解決準靜態法測量壓電應變常數中的參考壓電材料在低頻的壓電常數無法直接溯源的問題是業內的又一難題。
【發明內容】
[0004]本發明的特徵和優點在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見，或者可通過實踐本發明而學習。
[0005]為克服現有技術的問題，本發明提供一種基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，採用動態力傳感器直接測量加載在待測壓電材料兩端的準靜態力大小，繞開參考壓電材料的問題，從而實現壓電應變常數準靜態法測量的直接溯源。
[0006]本發明解決上述技術問題所採用的技術方案如下:
[0007]根據本發明的一個方面，提供一種基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，其特徵在於，包括:樣品加載頭，用於加載待測壓電材料；靜載荷測量單元，位於該樣品加載頭的上方，並與該樣品加載頭相連；動態力驅動源，位於該樣品加載頭的下方；動態力傳感器，位於該樣品加載頭與該動態力驅動源之間，且其一端與該樣品加載頭相連，另一端與該動態力驅動源相連；雙通道電荷放大器，與該動態力傳感器相連，該雙通道電荷放大器還用於與該待測壓電材料相連；數據採集器，與該雙通道電荷放大器相連。
[0008]根據本發明的一個實施例，還包括驅動信號源，與該動態力驅動源相連。
[0009]根據本發明的一個實施例，該動態力驅動源為電磁激振器。
[0010]根據本發明的一個實施例，該樣品加載頭包括上加載頭與下加載頭，該上加載頭通過第一連杆與該靜載荷測量單元相連，該下加載頭通過第二連杆與該動態力傳感器相連。
[0011]根據本發明的一個實施例，該樣品加載頭、靜載荷測量單元、動態力驅動源、動態力傳感器在豎直方向上處於同一個軸線。
[0012]根據本發明的一個實施例，還包括支座，由底座、與該底座平行的頂部以及用於連接該底座與頂部的連杆；該底座用於放置該動態力驅動源，該頂部用於與該靜載荷測量單元相連。
[0013]根據本發明的一個實施例，該連杆上設有調節手柄，用於改變該底座與頂部之間的距離，調節該待測壓電材料上的靜載荷力。
[0014]根據本發明的另一個方面，提供一種基於動態力直接測量的壓電應變常數測量方法，其特徵在於，包括:在樣品加載頭上固定待測壓電材料，並向該待測壓電材料施加靜載荷力；將位於該樣品加載頭與動態力驅動源之間的動態力傳感器以及該待測壓電材料都與電荷放大器相連，並將該電荷放大器與數據採集器相連；驅動該動態力驅動源；根據該數據採集器輸出的數據獲取動態力的大小以及待測壓電材料輸出電荷的大小；根據該電荷與該動態力的比值，得到待測壓電材料的壓電應變常數。
[0015]根據本發明的一個實施例，在向該待測壓電材料施加靜載荷力時，使該待測壓電材料上的靜載荷力達到10N。
[0016]根據本發明的一個實施例，利用90Hz?200Hz的電壓信號驅動該動態力驅動源。
[0017]本發明採用電磁激振器作為動態力驅動源，採用動態力傳感器直接測量動態力的大小，根據待測壓電材料輸出的電荷大小，計算得到壓電材料的壓電應變常數。此種裝置及其方法避開了參考壓電材料的使用，使得準靜態法測量壓電應變常數的測量能夠直接溯源至動態力和電荷測量。
[0018]通過閱讀說明書，本領域普通技術人員將更好地了解這些技術方案的特徵和內容。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]下面通過參考附圖並結合實例具體地描述本發明，本發明的優點和實現方式將會更加明顯，其中附圖所示內容僅用於對本發明的解釋說明，而不構成對本發明的任何意義上的限制，在附圖中:
[0020]圖1為本發明實施例的基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示，本發明提供一種基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，其特徵在於，包括:樣品加載頭3，用於加載待測壓電材料4 ;靜載荷測量單元1，位於樣品加載頭3的上方，並與樣品加載頭3相連，用於測量待測壓電材料上的靜載荷力；動態力驅動源10，位於樣品加載頭3的下方，用於為待測壓電材料提供動態力；動態力傳感器8，位於樣品加載頭3與動態力驅動源10之間，且其一端與樣品加載頭3相連，另一端與動態力驅動源10相連，用於直接測量加載在待測壓電材料兩端的準靜態力大小；雙通道電荷放大器5，與動態力傳感器8相連，雙通道電荷放大器還用於與待測壓電材料相連；數據採集器6，與雙通道電荷放大器5相連，用於測量其電荷輸出。如此動態力傳感器8和待測壓電材料4輸出的電荷可以經過電荷放大器5將電荷轉換成電壓輸出，由數據採集器6進行採集。
[0022]樣品加載頭3包括上加載頭與下加載頭，待測壓電材料被放置與上加載頭與下加載頭之間；其中上加載頭通過第一連杆2與靜載荷測量單元I相連，下加載頭通過第二連杆7與動態力傳感器8相連；而動態力傳感器8與動態力驅動源10之間則通過第三連杆9相連。上述樣品加載頭3、靜載荷測量單元1、動態力驅動源10、動態力傳感器8以及待測壓電材料4在豎直方向上處於同一個軸線，即各自的中心軸線是重合的。
[0023]此外，還包括驅動信號源11，與動態力驅動源10相連，用於輸出90Hz?200Hz，該動態力驅動源10可以採用電磁激振器。
[0024]在本實施例中，還包括支座12，由底座、與底座平行的頂部以及用於連接底座與頂部的連杆；底座用於放置動態力驅動源10，頂部用於與靜載荷測量單元I相連。連杆上設有調節手柄13，用於改變底座與頂部之間的距離，調節待測壓電材料上的靜載荷力。在具體實施時，連杆可以分成上半段與下半段，其中上半段上設有導軌，下半段設有與導軌配合的凹槽，通過調節手柄13能調節並固定上半段在下半段凹槽裡的滑行距離。
[0025]本發明還提供一種基於動態力直接測量的壓電應變常數測量方法，其包括:在樣品加載頭上固定待測壓電材料，並向待測壓電材料施加靜載荷力；將位於樣品加載頭與動態力驅動源之間的動態力傳感器以及待測壓電材料都與電荷放大器相連，並將電荷放大器與數據採集器相連；驅動動態力驅動源；根據數據採集器輸出的數據獲取動態力的大小以及待測壓電材料輸出電荷的大小；根據電荷與動態力的比值，得到待測壓電材料的壓電應變常數。
[0026]其中，在向待測壓電材料施加靜載荷力時，使待測壓電材料上的靜載荷力達到1N ;在驅動動態力驅動源時可以採用利用90Hz?200Hz的電壓信號。此外，動態力傳感器的靈敏度要採用JJF1370-2012正弦法力傳感器動態特性校準規範中推薦的方法進行校準。
[0027]上述基於動態力直接測量的壓電應變常數測量方法可以採用本發明提供的基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置實現。
[0028]本發明提供的基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置及方法，將電磁激振器作為動態力驅動源，採用動態力傳感器和電荷放大器直接測量動態力的大小，根據待測壓電材料輸出的電荷大小，計算得到壓電材料的壓電應變常數；避開了參考壓電材料的使用，無需考慮參考壓電材料動態諧振法獲得的高頻段壓電應變常數如何修正才能得到低頻時壓電常數的問題；實現了準靜態法壓電應變常數測量中各參量的直接溯源。
[0029]以上參照【專利附圖】
【附圖說明】了本發明的優選實施例，本領域技術人員不脫離本發明的範圍和實質，可以有多種變型方案實現本發明。舉例而言，作為一個實施例的部分示出或描述的特徵可用於另一實施例以得到又一實施例。以上僅為本發明較佳可行的實施例而已，並非因此局限本發明的權利範圍，凡運用本發明說明書及附圖內容所作的等效變化，均包含於本發明的權利範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，其特徵在於，包括: 樣品加載頭，用於加載待測壓電材料； 靜載荷測量單元，位於所述樣品加載頭的上方，並與所述樣品加載頭相連； 動態力驅動源，位於所述樣品加載頭的下方； 動態力傳感器，位於所述樣品加載頭與所述動態力驅動源之間，且其一端與所述樣品加載頭相連，另一端與所述動態力驅動源相連； 雙通道電荷放大器，與所述動態力傳感器相連，所述雙通道電荷放大器還用於與所述待測壓電材料相連； 數據採集器，與所述雙通道電荷放大器相連。
2.根據權利要求1所述基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，其特徵在於，還包括驅動信號源，與所述動態力驅動源相連。
3.根據權利要求1或2所述基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，其特徵在於，所述動態力驅動源為電磁激振器。
4.根據權利要求1所述基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，其特徵在於，所述樣品加載頭包括上加載頭與下加載頭，所述上加載頭通過第一連杆與所述靜載荷測量單元相連，所述下加載頭通過第二連杆與所述動態力傳感器相連。
5.根據權利要求1所述基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，其特徵在於，所述樣品加載頭、靜載荷測量單元、動態力驅動源、動態力傳感器在豎直方向上處於同一個軸線。
6.根據權利要求1所述基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，其特徵在於，還包括支座，由底座、與所述底座平行的頂部以及用於連接所述底座與頂部的連杆；所述底座用於放置所述動態力驅動源，所述頂部用於與所述靜載荷測量單元相連。
7.根據權利要求6所述基於動態力直接測量的壓電應變常數測量裝置，其特徵在於，所述連杆上設有調節手柄，用於改變所述底座與頂部之間的距離，調節所述待測壓電材料上的靜載荷力。
8.一種基於動態力直接測量的壓電應變常數測量方法，其特徵在於，包括: 在樣品加載頭上固定待測壓電材料，並向所述待測壓電材料施加靜載荷力； 將位於所述樣品加載頭與動態力驅動源之間的動態力傳感器以及所述待測壓電材料都與電荷放大器相連，並將所述電荷放大器與數據採集器相連； 驅動所述動態力驅動源； 根據所述數據採集器輸出的數據獲取動態力的大小以及待測壓電材料輸出電荷的大小； 根據所述電荷與所述動態力的比值，得到待測壓電材料的壓電應變常數。
9.根據權利要求8所述基於動態力直接測量的壓電應變常數測量方法，其特徵在於，在向所述待測壓電材料施加靜載荷力時，使所述待測壓電材料上的靜載荷力達到I ON。
10.根據權利要求8所述基於動態力直接測量的壓電應變常數測量方法，其特徵在於，利用90Hz?200Hz的電壓信號驅動所述動態力驅動源。
【文檔編號】G01R29/22GK104502737SQ201410837278
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月29日 優先權日:2014年12月29日
【發明者】何龍標, 楊平, 牛鋒, 鍾波, 許歡, 馮秀娟 申請人:中國計量科學研究院