力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性測量系統及方法

2023-04-26 01:04:06 2

力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性測量系統及方法
【專利摘要】本發明提供力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性測量系統及方法。該測量系統包括：用於產生施加於待測的鐵電材料上的力、電、熱場的場產生單元；對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行極化測量的極化測量單元；對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行應變測量的應變測量單元；以及採集從所述場產生單元輸出的各種場的加載信號、從所述極化測量單元輸出的極化測量信號、以及從所述應變測量單元輸出的應變測量信號並進行分析處理以得到用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵電性與鐵彈性的測量數據的數據採集分析單元。本發明可用於表徵鐵電材料在力、電、熱場下的鐵電性與鐵彈性，研究其在複雜環境下的穩定性與可靠性。
【專利說明】力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性測量系統及方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及鐵電材料領域，特別涉及一種力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性 的測量系統及測試方法。 技術背景
[0002] 鐵電材料是指具有鐵電效應的材料，其是一類極其重要的功能材料。鐵電材料具 有自發極化的性能，即該材料的晶體結構在不加外電場時就具有自發極化現象，且其極化 的方向能夠被外加電場反轉或重新定向。近年來，鐵電材料以其優異的性能而被廣泛使用， 尤其是載人航天、探月工程、以及能源領域等，對能在力、電、熱場下穩定、可靠工作的鐵電 材料及其驅動和換能器件提出了迫切需求。因此，測量鐵電材料在力、電、熱場下的鐵電性 與鐵彈性對於研究鐵電材料在實際工作狀態下的服役性能與失效機理等具有重要意義，對 於推動鐵電材料在高【技術領域】的工程應用也是至關重要的。
[0003] 為了得到鐵電材料在力、電、熱場下的鐵電性與鐵彈性，需要對該鐵電材料進行極 化測量和應變測量，從而得到該鐵電材料的電滯回線、電場-應變回線、應力-應變曲線以 及應力-電荷曲線，以表徵該鐵電材料在力、電、熱場下的鐵電性與鐵彈性。
[0004] 在現有技術中，在測量鐵電材料的電滯回線時，普遍採用Sawyer-Tower迴路，即 待測樣品與採樣標準電容串聯，其中標準電容的電容值遠大於待測樣品的電容值，通過測 量標準電容兩端的電壓就可以得出待測樣品的極化強度與電場強度的關係曲線，即電滯回 線。
[0005] 而對於鐵電材料的應變測量，現有的測量方法包括光纖法、雷射幹涉法、以及差動 變壓器式位移傳感器（LVDT)等。
[0006] 然而，目前用於表徵鐵電材料性能的商用儀器多採用單一場加載，並且多為對於 鐵電材料的鐵電性的測量，對於反映鐵電材料的鐵彈性的應力-應變曲線和應力-電荷曲 線的測量鮮有報導。同時，這些商用儀器無法表徵力、電、熱場共同加載下的鐵電材料的鐵 電性與鐵彈性，因而不能真正反映鐵電材料在工程應用中的實際狀況。


【發明內容】

[0007] 鑑於以上所述，本發明所要解決的技術問題在於提供一種力、電、熱場下鐵電材料 鐵電性與鐵彈性的測量系統及方法，可用於表徵鐵電材料在力、電、熱場下的鐵電性與鐵彈 性，研究其在複雜環境下的穩定性與可靠性。
[0008] 為了解決上述技術問題，根據本發明的一方面，提供一種力、電、熱場下鐵電材料 鐵電性與鐵彈性的測量系統，包括：用於產生施加於待測的鐵電材料上的力、電、熱場的場 產生單元；對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行極化測量的極化測量單元；對所述力、電、 熱場下的鐵電材料進行應變測量的應變測量單元；以及採集從所述場產生單元輸出的各種 場的加載信號、從所述極化測量單元輸出的極化測量信號、以及從所述應變測量單元輸出 的應變測量信號並進行分析處理以得到用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵電性 與鐵彈性的測量數據的數據採集分析單元。
[0009] 根據本發明，通過場產生單元產生施加於待測的鐵電材料上的測量用的力、電、熱 場，並將各種場的加載信號輸出至數據採集分析單元，該數據採集分析單元還接收分別通 過極化測量單元和應變測量單元對加載了力、電、熱場的鐵電材料進行極化測量和應變測 量而得到的極化測量信號和應變測量信號，且數據採集分析單元基於接收到的上述各種場 的加載信號、極化測量信號和應變測量信號，經過分析處理而得到用於表徵所述力、電、熱 場下的鐵電材料的鐵電性與鐵彈性的測量數據。
[0010] 採用本發明，可以實現力、電、熱場的多個場的加載，避免了僅單一場下評價鐵電 材料鐵電性能的片面性，並且可以同時測量表徵鐵電性及鐵彈性的性能。可較為全面的反 映鐵電材料在不同服役狀態下性能演變規律。並且，鐵電材料的應變的測量以及極化的測 量可同步進行、互不幹擾，並且同步採集測量信號，由數據採集分析單元採集後進行分析處 理，實現了加載信號與測量信號的同步採集與記錄，保證了測量的精確性。
[0011] 本發明可用於表徵鐵電材料在力、電、熱場下的鐵電性與鐵彈性，研究其在複雜環 境下的穩定性與可靠性。本發明的技術方案原理簡單，並且採用了大量精確測量設備，測量 精確、結構緊湊，同時具有較好的自定義性與擴展性。
[0012] 又，在本發明中，所述測量數據可以包括用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料 的鐵電性的電滯回線和電場-應變回線，以及用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵 彈性的應力-應變曲線和應力-電荷曲線。
[0013] 根據本發明，可通過測量力、電、熱場下的鐵電材料的電滯回線和電場-應變回 線，以及應力-應變曲線和應力-電荷曲線，分別表徵在力、電、熱場下的該鐵電材料的鐵電 性和鐵彈性，有利於全面地測量鐵電材料的性能。其中，電滯回線、電場-應變回線對應於 強電場施加的情況，而應力-應變曲線、應力-電荷曲線對應於力場加載的情況。
[0014] 又，在本發明中，所述場產生單元可以包括：產生作用於所述鐵電材料上的壓力以 對所述鐵電材料加載力場的壓力試驗機；產生輸出至所述鐵電材料的一端的電極上的電壓 信號以對所述鐵電材料加載電場的信號發生器；和產生不同溫度環境以對所述鐵電材料加 載熱場的溫控箱；且所述數據採集分析單元包括數據採集部和數據處理部，所述壓力試驗 機、信號發生器和溫控箱分別通過所述數據採集部與所述數據處理部相連。
[0015] 根據本發明，可通過壓力試驗機、信號發生器和溫控箱分別產生加載於待測鐵電 材料上的測量用的力場、電場、熱場，從而可實現力、電、熱場的多個場的加載，另外例如通 過控制各力、電、熱場的產生設備的開關與加載方式等，可實現各力、電、熱場的單獨或同時 加載，且壓力試驗機、信號發生器和溫控箱分別通過數據採集分析單元的數據採集部與該 數據採集分析單元的數據處理部相連，從而將各種場的加載信號通過該數據採集部輸送至 數據處理部，以便進行後續的分析處理。本發明的場產生單元有利於實現力、電、熱場的單 獨或同時加載，從而能全面地反映鐵電材料在不同服役狀態下性能演變規律。
[0016] 在本發明中，所述極化測量單元可以由Sawyer-Tower迴路構成，包括與所述待測 的鐵電材料連接的標準電容和用於測量標準電容的兩端的電壓信號的靜電計，其中所述標 準電容的電容值遠大於所述鐵電材料的電容值；所述靜電計產生的極化測量信號通過所述 數據採集部輸送至所述數據處理部，所述數據處理部根據所述數據採集部接收到的所述各 種場的加載信號以及所述極化測量信號計算得到所述鐵電材料的電滯回線和應力-電荷 曲線。
[0017] 根據本發明，採用較為簡單的Sawyer-Tower迴路測量鐵電材料的極化變化，具體 地，設有與待測鐵電材料相連的標準電容，加載了上述力、電、熱的鐵電材料所釋放的電荷 聚集到該標準電容上；由靜電計測量該標準電容兩端的電壓信號作為極化測量信號通過數 據採集部輸送至數據處理部，在該數據處理部中對該極化測量信號及上述各種場的加載信 號進行分析處理可以有效地得到鐵電材料的電滯回線和應力-電荷曲線。其中，在測量鐵 電材料的電滯回線時，該標準電容與待測鐵電材料串聯，而在測量鐵電材料的應力-電荷 曲線時，該標準電容與待測鐵電材料並聯。本發明測量精確度高，且由於靜電計的輸入阻抗 大，也可防止高電壓輸入到數據採集分析單元中，起到擊穿保護的作用。
[0018] 在本發明中，所述應變測量單元可以包括粘貼至所述鐵電材料的表面以測量所述 鐵電材料的應變的應變片、用於放大所述應變片產生的應變信號的應變儀，所述應變儀產 生的應變測量信號通過所述數據採集部輸送至所述數據處理部，所述數據處理部根據所述 數據採集部接收到的所述各種場的加載信號以及所述應變測量信號計算得到所述鐵電材 料的電場-應變回線和應力-應變曲線。
[0019] 根據本發明，採用粘貼在待測鐵電材料表面的應變片，測量鐵電材料的應變，應變 片產生的應變信號由應變儀放大後作為應變測量信號通過數據採集部輸送至數據處理部， 在該數據處理部中對該應變測量信號及上述各種場的加載信號進行分析處理可以有效地 得到鐵電材料的電場-應變回線和應力-應變曲線。本發明的應變測量採用價格低廉、安 裝方便的應變片法，可以在同時施加力、電、熱場時較為方便地進行應變的測量，克服了其 它方法在複雜環境下安裝困難的缺點。
[0020] 在本發明中，所述信號發生器可以產生正弦波形、三角波形或方波波形的電壓信 號，所述信號發生器產生的電壓信號的幅值為-10V?10V ;所述信號發生器產生的電壓信 號經電壓放大器輸出至所述鐵電材料的一端的電極上，且所述標準電容的電容值為0. 1? 50 μ F〇
[0021] 根據本發明，由信號發生器產生測量用的正弦、三角、方波等多種波形的電壓信 號，並由電壓放大器將該電壓信號放大後輸出至待測的鐵電材料的一端的電極上，從而有 效地將電場加載至該待測的鐵電材料上，並有利於對該鐵電材料的極化測量。
[0022] 在本發明中，在所述極化測量單元和所述應變測量單元的兩端還可以分別並聯有 用於防止所述待測的鐵電材料擊穿時產生的高電壓對所述測量系統的破壞的極化保護電 路和應變保護電路，所述極化保護電路和應變保護電路分別包括相互並聯連接的TVS放電 管、陶瓷放電管、穩壓二極體以及分壓電阻。
[0023] 根據本發明，極化測量單元可以包括用於釋放待測鐵電材料擊穿時產生的高電 壓，以保護標準電容等不被高電壓擊穿破壞的極化保護電路，且應變測量單元也可以包括 防止待測鐵電材料擊穿時產生的高電壓對數據採集分析單元的破壞的應變保護電路。該極 化保護電路和應變保護電路分別由相互並聯連接的TVS放電管、陶瓷放電管、穩壓二極體 以及分壓電阻等構成，並且由此構成的極化保護電路和應變保護電路再分別並聯到所要保 護的極化測量系統和應變測量系統的兩端，用於釋放待測鐵電材料擊穿時產生的高電壓， 避免高電壓對測量系統的破壞，保證了測量的安全性。
[0024] 在本發明中，所述壓力試驗機所產生的壓力可以通過球形壓頭作用於所述鐵電材 料上。
[0025] 根據本發明，由壓力試驗機所產生的單軸壓力通過球形壓頭作用於所述鐵電材料 上，該球形壓頭可調節加載力的方向與待測鐵電材料的軸心相一致，從而保證了力場的均 勻性。
[0026] 在本發明中，在所述鐵電材料的兩端的電極的彼此遠離的一側上和/或在所述鐵 電材料的兩端的電極之間可以分別設置有絕緣構件。
[0027] 根據本發明，在鐵電材料的兩端的電極的彼此遠離的一側上，例如鐵電材料的一 端的電極與球形壓頭之間設有絕緣構件可以使該電極與其它構件絕緣；又在鐵電材料的兩 端的電極之間也可以設有絕緣構件，從而將兩端的電極隔開，防止電弧放電。由此，保證了 高電壓與測量系統的絕緣，避免了高電壓對測量系統的破壞。
[0028] 又，根據本發明的另一方面，提供一種採用上述測量系統對力、電、熱場下鐵電材 料鐵電性與鐵彈性進行測量的方法，包括：通過場產生單元產生施加於待測的鐵電材料上 的力、電、熱場；通過極化測量單元對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行極化測量以得到極 化測量信號；通過應變測量單元對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行應變測量以得到應變 測量信號；以及通過數據採集分析單元採集從所述場產生單元輸出的各種場的加載信號、 從所述極化測量單元輸出的極化測量信號、以及從所述應變測量單元輸出的應變測量信 號，並進行分析處理以得到用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵電性與鐵彈性的測 量數據；所述測量數據包括用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵電性的電滯回線和 電場-應變回線以及用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵彈性的應力-應變曲線和 應力-電荷曲線。
[0029] 根據本發明，可以有效地實現力、電、熱場的單獨或同時加載，避免了僅單一場下 評價鐵電材料的鐵電性能的片面性，並且可以同時測量表徵鐵電性的電滯回線與電場-應 變回線以及表徵鐵彈性的應力-應變曲線與應力-電荷曲線，可較為全面的反映鐵電材料 在不同服役狀態下性能演變規律。
[0030] 根據下述【具體實施方式】並參考附圖，本發明的上述及其他目的、特徵和優點將更 加清晰。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1示出了實現本發明的力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性測量方法的系 統的一實施形態的結構框圖； 圖2示出了在本發明的測量方法中的力、電、熱場加載方式的結構示意圖； 圖3示出了在本發明的測量方法中的電滯回線的測量過程的結構框圖； 圖4示出了在本發明的測量方法中的應力-電荷曲線的測量過程的結構框圖； 圖5示出了在本發明的測量方法中的應力-應變曲線與電場-應變回線的測量過程的 結構框圖； 圖6示出了在本發明的測量方法中的數據採集過程的結構框圖。

【具體實施方式】
[0032] 以下結合附圖及實施例詳細描述本發明的力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈 性的測量系統及測試方法。
[0033] 本發明的一種力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性的測量系統，包括：用於產 生施加於待測的鐵電材料上的力、電、熱場的場產生單元；對所述力、電、熱場下的鐵電材料 進行極化測量的極化測量單元；對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行應變測量的應變測量 單元；以及採集從所述場產生單元輸出的各種場的加載信號、從所述極化測量單元輸出的 極化測量信號、以及從所述應變測量單元輸出的應變測量信號並進行分析處理以得到用於 表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵電性與鐵彈性的測量數據的數據採集分析單元。 [0034] 本發明提供的力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性的測量裝置，可以進行力、 電、熱場的同時加載，還可以在單一力場或電場下測量鐵電材料的特性，並且可以完成加載 信號與極化和/或應變測量信號的同步採集，最終根據所測量的測量信號得到鐵電材料鐵 電性與鐵彈性曲線。
[0035] 圖1示出了本發明的力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性測量系統的一實施 形態的結構框圖。如圖1所示，本發明的測量系統包括產生力、電、熱場的場產生單元1 ;對 力、電、熱場下的作為待測樣品5的鐵電材料分別進行極化測量和應變測量的極化測量單 元2和應變測量單元3 ;以及數據採集分析單元4,該數據採集分析單元4採集從場產生單 元1輸出的各種場的加載信號、從極化測量單元2輸出的極化測量信號、以及從應變測量單 元3輸出的應變測量信號並進行分析處理以得到用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料 的鐵電性與鐵彈性的測量數據。在本發明中，該測量數據包括用於表徵所述力、電、熱場下 的鐵電材料的鐵電性的電滯回線和電場-應變回線，以及用於表徵所述力、電、熱場下的鐵 電材料的鐵彈性的應力-應變曲線和應力-電荷曲線；其中，電滯回線、電場-應變回線對 應於強電場施加的情況，而應力-應變曲線、應力-電荷曲線對應於力場加載的情況。
[0036] 通過該場產生單元1可同時對待測的鐵電材料加載力場、電場和熱場，該場產生 單元1可包括力場產生部、電場產生部和熱場產生部。又，上述數據採集分析單元4可包 括用於採集來自於場產生單元1、極化測量單元2和應變測量單元3的信號的數據採集部 401，以及對該數據採集部401採集到的信號進行分析處理的數據處理部402。在本發明的 一實施形態中，該數據採集部401可以是接收各種場的加載信號以及極化測量信號和應變 測量信號的各類數據採集儀，而該數據處理部402可以是與該數據採集儀通信連接以對來 自於該數據採集儀的數據進行分析處理的計算機。
[0037] 具體地，力場產生部包括壓力試驗機102,壓力試驗機102通過數據採集部401與 數據處理部402相連。壓力試驗機102可產生最大為50kN的單軸壓力。電場產生部包括 信號發生器104,該信號發生器104產生的電壓信號經電壓放大器105放大後輸出至不波 器106和待測樣品5。該信號發生器104產生的電壓信號的波形可為正弦、三角、方波等，也 可根據實驗需要產生任意波形。該信號發生器104產生的電壓信號的幅值可以為-10V? 10V，電壓放大器的放大倍數可以為3000倍，可根據具體的測量要求和待測樣品而定。在本 發明的一實施形態中，優選地，該電壓信號的幅值例如可以為20Vpp，電壓放大器的放大倍 數為3000倍，最大可產生±3萬伏高壓。熱場產生部主要包括溫控箱101，用於產生不同溫 度環境，溫度變化範圍為_60°C?250°C。
[0038] 又，如圖1所示,極化測量單元2包括標準電容202和靜電計203,需要的話還可 以包括極化保護電路201，標準電容202和靜電計203連接至待測樣品5,靜電計203通過 數據採集部401連接至數據處理部402。極化測量採用相對簡單的Sawyer-Tower迴路，靜 電計203用於測量標準電容202的兩端的電壓信號將其作為極化測量信號輸送至數據採集 部401。採用靜電計203測量精度較高，且其輸入阻抗大，可防止高電壓輸入到數據處理部 402中，起到擊穿保護的作用。極化保護電路201用於釋放樣品擊穿時產生的高電壓，保護 標準電容202等不被高電壓擊穿破壞。
[0039] 繼續參見圖1，應變測量單元3包括應變片301和應變儀302,需要的話還可以包 括應變保護電路303,採用粘貼在待測樣品5表面的應變片301測量鐵電材料的應變，應變 儀302用於放大應變片301產生的應變信號，該放大後的應變信號作為應變測量信號輸入 到數據採集部401中。
[0040] 最後，數據採集分析單元4通過其數據採集部401採集各力、電、熱場的場產生部 所輸出的各種場的加載信號以及極化測量信號和應變測量信號，並通過數據處理部402對 採集到的各種信號進行分析處理以得到上述所需的測量數據。
[0041] 圖2示出了在本發明的測量方法中的具體的力、電、熱場加載方式的結構示意圖。 力場的加載通過加載力壓頭加載到待測樣品5上，本實施例中優選的球形壓頭6可調節加 載力的方向與待測樣品5的軸心相一致，從而保證了力場的均勻性。經電壓放大器105放 大後的電壓加載到待測樣品5 -端的電極51上，另一端的電極52則串聯標準電容202並 接地，用於測量鐵電材料的極化。整個待測樣品5置於溫控箱101中，實現了恆溫或變溫環 境。由於測量中需要施加高電壓，例如最大達±3萬伏的電壓，因此高電壓與測量系統的各 部件的絕緣以及防止待測樣品5的兩端電極51、52之間的電弧放電是測量中需要解決的問 題，因此在本發明的測量系統中還設有絕緣保護單元103 (參照圖1)，以下將對該絕緣保護 單元進行詳細說明。
[0042] 具體地，本發明採用了以下的設計，保證了高電壓與測量系統各部件的絕緣，避免 了高電壓對測量系統的破壞。
[0043] a.待測樣品上下電極51、52外（即上下電極51、52的彼此遠離的一側上）各設有 諸如由氧化鋁板7構成的絕緣構件，具體地，如圖2所示，氧化鋁板7可設置於電極52與加 載力壓頭6之間，從而使電極51、52與其它部件絕緣。又，圖2所示的實施例中還包括用於 傳遞來自於加載力壓頭6的加載力的例如由鋼製成的傳遞壓頭10,且在溫控箱底部也設有 用於承載上述加載力的例如由鋼製成的底板11。此外，在該傳遞壓頭10與上述氧化鋁板7 之間也設置有絕緣構件，例如可以是由聚四氟塑料構成的絕緣構件9,從而進一步起到絕緣 的作用，以此可以實現雙重保護。
[0044] b.待測樣品5中間用由一塊環氧樹脂環8構成的絕緣構件把該待測樣品5兩端 的電極51、52隔開，防止兩電極51、52之間的電弧放電。
[0045] c.還可以將待測樣品5浸泡在矽油當中，防止電擊穿。
[0046] d.還可設有高壓源過流自動切斷功能，以便能最大限度保證測量系統的安全。
[0047] e.在極化測量單元2和應變測量單元3中分別採用TVS放電管、陶瓷放電管以及 分壓電阻等設計了擊穿保護迴路（電路)，當待測樣品5擊穿或是滑落時，瞬間電壓與電流超 出了某一額定值時，固態開關保護迴路導通放電，以確保高電壓不會破壞測量系統。
[0048] 圖3示出了在本發明的測量方法中的電滯回線的測量過程的結構框圖。測量採用 相對簡單的Sawyer-Tower迴路，信號發生器104產生的電壓信號經過電壓放大器105放 大後加載到待測樣品上，由於待測樣品的電容值遠小於與該待測樣品串聯的標準電容202 的電容值，因此，加載電壓幾乎全部加載到待測樣品上，而待測樣品的電量與標準電容202 (電容C)的電量相等，因此，通過測量標準電容202兩端的電壓V，便可得到待測樣品的電量 Q=CV。待測樣品的極化值P為電量Q與待測樣品面積A的比值，P=Q/A，同時，將加載的電壓 信號經數據採集部401讀取到數據處理部402中，通過數據處理便可得到該待測樣品的電 滯回線。
[0049] 圖4示出了在本發明的測量方法中的應力-電荷曲線的測量過程的結構框圖。壓 力試驗機102產生的壓力加載到待測樣品上，該待測樣品產生壓電效應或壓力退極化行為 從而產生退極化電荷，標準電容202與待測樣品並聯，並且該標準電容202的電容值遠大於 待測樣品的電容值，根據電容並聯電壓相等，電量與電容成正比可知，待測樣品在壓力下釋 放的退極化電荷全部聚集到標準電容該202上，通過測量該標準電容202兩端的電壓，並經 數據採集部401讀取到數據處理部402中，通過數據處理便可得到該待測樣品的應力-電 荷曲線。
[0050] 圖5示出了在本發明的測量方法中的應力-應變曲線與電場-應變回線的測量 過程的結構框圖。壓力試驗機102產生的壓力加載到待測樣品上產生應變，或者信號發生 器104產生的電壓信號經過電壓放大器105放大後加載到待測樣品上產生應變後，粘貼在 待測樣品表面上的應變片301產生相應的應變，並由應變儀302將應變轉換為電壓信號，經 數據採集部401讀取到數據處理部402中，便可得到該待測樣品的應力-應變曲線或者電 場-應變曲線，測量中，應變儀302的橋盒電阻可以採用行業標準值的為120Ω或350Ω等， 在本實施例中，優選地選用350Ω的電阻，電橋可以採用1/4橋或半橋連接，從而得到較高 的測量精度。
[0051] 圖6示出了在本發明的測量方法中的數據採集過程的結構框圖。其中，力、電、熱 場的加載信號由力、電、熱場的產生部得到，並由數據採集部401採集到數據處理部402中。 極化測量信號、即標準電容202兩端的電壓信號以及應變測量信號也由數據採集部401採 集到數據處理部402中，由VB語言編程實現數據採集，加載信號與測量信號的採集是同步 進行的，因此，可以同步得到測量所需的不同曲線。
[0052] 此外，本發明還涉及採用上述測量系統對力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性 進行測量的方法，包括：通過場產生單元產生施加於待測的鐵電材料上的力、電、熱場；通 過極化測量單元對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行極化測量以得到極化測量信號；通過 應變測量單元對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行應變測量以得到應變測量信號；以及通 過數據採集分析單元採集從所述場產生單元輸出的各種場的加載信號、從所述極化測量單 元輸出的極化測量信號、以及從所述應變測量單元輸出的應變測量信號並進行分析處理以 得到用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵電性與鐵彈性的測量數據；所述測量數據 包括用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵電性的電滯回線和電場-應變回線以及 用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵彈性的應力-應變曲線和應力-電荷曲線。
[0053] 綜上所述，採用本發明的測量裝置及測量方法可用於表徵鐵電材料在力、電、熱場 下的鐵電性與鐵彈性，研究其在複雜環境下的穩定性與可靠性。本發明的技術方案原理簡 單，並且採用了大量精確測量設備，測量精確、結構緊湊，同時具有較好的自定義性與擴展 性。
[0054] 在不脫離本發明的基本特徵的宗旨下，本發明可體現為多種形式，因此本發明中 的實施形態是用於說明而非限制，由於本發明的範圍由權利要求限定而非由說明書限定， 而且落在權利要求界定的範圍，或其界定的範圍的等價範圍內的所有變化都應理解為包括 在本發明中。
【權利要求】
1. 一種力、電、熱場下鐵電材料鐵電性與鐵彈性的測量系統，其特徵在於，包括： 用於產生施加於待測的鐵電材料上的力、電、熱場的場產生單元； 對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行極化測量的極化測量單元； 對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行應變測量的應變測量單元；以及 採集從所述場產生單元輸出的各種場的加載信號、從所述極化測量單元輸出的極化測 量信號、以及從所述應變測量單元輸出的應變測量信號並進行分析處理以得到用於表徵所 述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵電性與鐵彈性的測量數據的數據採集分析單元。
2. 根據權利要求1所述的測量系統，其特徵在於，所述測量數據包括用於表徵所述力、 電、熱場下的鐵電材料的鐵電性的電滯回線和電場-應變回線，以及用於表徵所述力、電、 熱場下的鐵電材料的鐵彈性的應力-應變曲線和應力-電荷曲線。
3. 根據權利要求2所述的測量系統，其特徵在於，所述場產生單元包括： 產生作用於所述鐵電材料上的壓力以對所述鐵電材料加載力場的壓力試驗機； 產生輸出至所述鐵電材料的一端的電極上的電壓信號以對所述鐵電材料加載電場的 信號發生器；和 產生不同溫度環境以對所述鐵電材料加載熱場的溫控箱； 且所述數據採集分析單元包括數據採集部和數據處理部，所述壓力試驗機、信號發生 器和溫控箱分別通過所述數據採集部與所述數據處理部相連。
4. 根據權利要求3所述的測量系統，其特徵在於，所述極化測量單元由Sawyer-Tower 迴路構成，包括與所述待測的鐵電材料連接的標準電容和用於測量所述標準電容的兩端的 電壓信號的靜電計，其中所述標準電容的電容值遠大於所述鐵電材料的電容值；所述靜電 計產生的極化測量信號通過所述數據採集部輸送至所述數據處理部，所述數據處理部根據 所述數據採集部接收到的所述各種場的加載信號以及所述極化測量信號計算得到所述鐵 電材料的電滯回線和應力-電荷曲線。
5. 根據權利要求3所述的測量系統，其特徵在於，所述應變測量單元包括粘貼至所述 鐵電材料的表面以測量所述鐵電材料的應變的應變片、用於放大所述應變片產生的應變信 號的應變儀，所述應變儀產生的應變測量信號通過所述數據採集部輸送至所述數據處理 部，所述數據處理部根據所述數據採集部接收到的所述各種場的加載信號以及所述應變測 量信號計算得到所述鐵電材料的電場-應變回線和應力-應變曲線。
6. 根據權利要求4所述的測量系統，其特徵在於，所述信號發生器產生正弦波形、三角 波形或方波波形的電壓信號，所述信號發生器產生的電壓信號的幅值為-10V?10V ;所述 信號發生器產生的電壓信號經電壓放大器輸出至所述鐵電材料的一端的電極上，且所述標 準電容的電容值為〇. 1?50 μ F。
7. 根據權利要求1所述的測量系統，其特徵在於，在所述極化測量單元和所述應變測 量單元的兩端還分別並聯有用於防止所述待測的鐵電材料擊穿時產生的高電壓對所述測 量系統的破壞的極化保護電路和應變保護電路，所述極化保護電路和應變保護電路分別包 括相互並聯連接的TVS放電管、陶瓷放電管、穩壓二極體以及分壓電阻。
8. 根據權利要求3所述的測量系統，其特徵在於，所述壓力試驗機所產生的壓力通過 球形壓頭作用於所述鐵電材料上。
9. 根據權利要求3所述的測量系統，其特徵在於，在所述鐵電材料的兩端的電極的彼 此遠離的一側上和/或在所述鐵電材料的兩端的電極之間分別設置有絕緣構件。
10. -種採用根據上述權利要求1至9中任一項所述的測量系統對力、電、熱場下鐵電 材料鐵電性與鐵彈性進行測量的方法，其特徵在於，包括： 通過場產生單元產生施加於待測的鐵電材料上的力、電、熱場； 通過極化測量單元對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行極化測量以得到極化測量信 號； 通過應變測量單元對所述力、電、熱場下的鐵電材料進行應變測量以得到應變測量信 號；以及 通過數據採集分析單元採集從所述場產生單元輸出的各種場的加載信號、從所述極化 測量單元輸出的極化測量信號、以及從所述應變測量單元輸出的應變測量信號，並進行分 析處理以得到用於表徵所述力、電、熱場下的鐵電材料的鐵電性與鐵彈性的測量數據。
【文檔編號】G01R31/00GK104101792SQ201310125839
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月11日 優先權日:2013年4月11日
【發明者】董顯林, 杜剛, 梁瑞虹, 盧曉蓉, 王根水 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所