鐵電體矯頑場強度的測量方法及其系統的製作方法
2023-10-31 10:42:37 1
專利名稱：鐵電體矯頑場強度的測量方法及其系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵電體矯頑場強度的測量，特別涉及一種鐵電體矯頑場強度的測量方法及其系統。
背景技術：
鐵電體的矯頑場強度是鐵電體的重要參數，目前公認的測量方法是利用Sawyer-Tower迴路來測量，如王永齡著科學出版社2003版的《功能陶瓷性能與應用》一書中所述的，它由低頻高壓電源、示波器、純電阻串聯支路與被測樣品電容和標準電容相串聯的容性支路構成的並聯測量迴路組成。通過在鐵電體上施加一個低頻高電壓，觀察流過鐵電體的電流隨外加電場的變化，即在示波器X軸上顯示樣品上所加的電壓V(除以樣品厚度即為電場強度E)，在示波器Y軸顯示樣品上的電荷Q(除以樣品的電極面積即為電極化強度P或電位移D)，而在示波器的X-Y平面上則完整地顯示出鐵電體的D-E或P-E電滯回線，從電滯回線上對應極化強度P或電位移D為零的電場強度即為矯頑場強度。
但是，由於鐵電體樣品及取樣電容或多或少存在直流電導及其它介質損耗，在低頻高壓作用下，由於滯後損耗會使得到的電滯回線會產生畸變，從而導致由此獲得的鐵電體樣品的矯頑場強度不準確。雖然，從原則上可以採用相位補償的辦法，在一定程度上可以減少這種畸變，但由於這種直流電導及介質損耗往往隨電場強度而變(即存在非線性變化的關係)，故實際上難以獲得完全的相位補償，從而也就難以得到準確的矯頑場強度。
發明內容
本發明的目的在於克服利用Sawyer-Tower迴路測量鐵電體材料矯頑場強度方法中，由於電滯回線產生畸變而造成難以準確測量的缺陷，從而提供一種鐵電體矯頑場強度的測量方法及其系統。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的鐵電體矯頑場強度的測量方法，根據當外力在一定範圍內，極化過的鐵電體樣品所受到的外力與所得到的壓電電壓成正比的關係，首先，在極化後的鐵電體試樣上施加一個低頻正弦波交變力，因壓電效應在鐵電體試樣兩端產生出低頻交變壓電電壓；再在該鐵電體試樣上施加一個與原鐵電體極化方向相反的直流高壓電場，從小到大調節直流高壓電場直至鐵電體樣品兩端的低頻交變壓電電壓為零，該直流高壓電場的大小就是鐵電體樣品的矯頑場強度；所述的低頻正弦波交變力的頻率為70-150Hz，其大小為0.1-1.5牛頓。
所述的直流高壓電場是通過在極化後的鐵電體上接通一直流高壓電源產生的，所述直流高壓電源的正極通過一隻串聯電阻連接鐵電體的負極，直流高壓電源的負極連接鐵電體試樣的正極，該直流高壓電場的大小通過測量直流高壓電源的輸出電壓和鐵電體試樣的厚度計算得到。
該測量方法的原理是極化過的鐵電體樣品縱向壓電應變常數d33與所得到的壓電電荷Q成正比的關係d33＝Q/F (1)式中，Q為壓電電荷，F為鐵電體樣品所受到的作用力，又因為Q＝C0V，其中，C0為鐵電體樣品本身的電容，V為正壓電效應在鐵電體樣品兩端所產生出的壓電電壓，因此，公式(1)可以表示為d33＝C0V/F (2)由公式(2)可知，對於某個確定的鐵電體樣品，C0是一常數，所受到的外力F與所得到的壓電電壓V的大小成正比。因此，對極化後的鐵電體試樣施加一個低頻正弦波交變力，由於壓電效應在鐵電體試樣兩端會產生出與低頻正弦波交變力相對應的低頻交變壓電電壓。
鐵電體剩餘極化強度的大小和鐵電體樣品由於壓電效應而產生出壓電電壓的大小相對應，在外加直流高壓電場作用下使鐵電體樣品的壓電電壓變為零，這也就是鐵電體樣品的剩餘極化強度變為零，因為在鐵電體的電滯回線中能使其剩餘極化強度變為零所加的電場被定義為鐵電體的矯頑場強度，所以我們施加的導致鐵電體樣品壓電電壓變為零時的直流高壓電場，就是被測鐵電體樣品的矯頑場強度。
本方法由於在測量中對鐵電體樣品施加的是直流高壓電場，而不是交流高壓電場，因此不會出現Sawyer-Tower迴路測量過程中的電滯回線非線性現象，故無須進行相位補償就能得到較為準確的矯頑場強度測量結果。
本發明提供的鐵電體矯頑場強度的測量系統，包括示波器，其特徵在於，還包括施加低頻正弦波交變力的施力裝置、直流高壓電源、電阻和隔直電容，其中，鐵電體試樣放置在施力裝置的兩個探頭中間，所述施力裝置中，信號源通過電纜與功率放大器的輸入端相連，功率放大器的輸出端通過電纜連接到施力裝置的信號輸入連接插座上；所述直流高壓電源的正極通過一隻串聯電阻連接到鐵電體試樣的負極，直流高壓電源的負極連接鐵電體試樣的正極；所述鐵電體試樣的負極經過隔直電容接入示波器輸入埠，鐵電體試樣的正極連接在示波器的接地端。
所述的功率放大器為不低於10瓦的音頻功率放大器。
所述的直流高壓電源為連續可調的，其輸出紋波電壓的最大值小於10毫伏的直流高壓電源。
所述的直流高壓電源也可以用數十節9伏積層電池串聯而成。
所述的示波器為雙通道電子示波器。
信號源、功率放大器和施力裝置構成使極化過的鐵電體樣品產生壓電電壓信號的加力裝置，低頻正弦波交變力可以通過調節信號源的頻率範圍和功率放大器的輸出幅度來實現；直流高壓電源用於提供改變上述壓電電壓信號大小的反向電場；示波器則用於監視鐵上述壓電電壓信號的變化情況。該測量系統由信號源輸出的低頻正弦波信號，經功率放大器放大後送施力裝置產生一定幅度的低頻正弦波交變力作用在鐵電體樣品上，然後，直流高壓電源的輸出電壓經過一隻串聯電阻反向施加在鐵電體樣品兩端(直流輸出電壓的極性與鐵電體樣品本身的極化電壓相反)，由於正壓電效應而產生出的低頻正弦波壓電電壓信號的波形以及該波形在反向直流高壓作用下的變化經隔直電容送示波器觀察，從小到大調節直流高壓電源的輸出電壓，使示波器上觀察到的低頻正弦波壓電電壓信號變為零並測量此刻直流高壓電源的輸出電壓，然後用該電壓值除以鐵電體樣品的厚度，便得到了所需要的矯頑場強度。
所述的施力裝置，由本申請人在99年2月6日被授權的專利(專利號為ZL97231420.2)改裝而成，它包括有電磁驅動器、主殼體、定位導軌、導軌槽蓋、定位滑塊、調節杆、調節手輪、連接定位杆、圓型定位膜片、固定環、鎖緊螺母、上下絕緣連接柱、上下導電焊片，上下探頭和信號輸入連接插座等，如圖2所示的結構進行裝配，構成一種專用的加力裝置，它可以對一定高度、厚度或壁厚的片型、柱型、管型等常規形狀的試樣施加一定幅度的低頻縱向作用力，除了用於鐵電體矯頑場強度的測量外，也可為鐵電體其它壓電係數的測量提供所需的低頻正弦波交變力。
所述的電磁驅動器，如圖2所示，它包括有軛鐵芯、外軛鐵、軛鐵底座、磁鋼、線圈、定心支片、活塞等，按照施力裝置內電磁驅動器部分的結構進行裝配組成一種內磁式電磁驅動器，將電磁驅動器的線圈通以低頻正弦波驅動信號，該線圈在由軛鐵芯、外軛鐵、磁鋼形成的磁場中振動並推動活塞縱向運動，調節正弦驅動信號的頻率和幅度可得到特定頻率和大小的作用力。
本發明的優點在於本發明鐵電體矯頑場強度的測量方法及其系統，在測量中對樣品施加的是直流高壓電場，而不是交流高壓電場，因此不會出現Sawyer-Tower迴路測量過程中由於對鐵電體樣品施加低頻高壓而產生滯後損耗造成電滯回線畸變導致矯頑場強度難以測準的情況，因此，對鐵電體矯頑場強度的測量精度比Sawyer-Tower迴路的測量精度高。
本發明測量系統中的施力裝置不只適用於鐵電體矯頑場強度的測量，還可用於鐵電體其它性能參數的測量以及作為及其它場合使用的正弦波交變力源。
圖1為本發明鐵電體矯頑場強度的測量方法的原理2為本發明鐵電體矯頑場強度的測量系統的具體實施例結構示意面說明1-信號源 2-功率放大器3-直流高壓電源4-示波器 5-電阻 6-隔直電容7-施力裝置 8-主殼體9-定位導軌10-導軌槽蓋11-定位滑塊 12-調節杆13-調節手輪14-連接定位杆 15-圓型定位膜片16-固定環 17-鎖緊螺母 18-上絕緣連接柱19-下絕緣連接柱20-上導電焊片 21-下導電焊片22-上探頭 23-下探頭 24-信號輸入連接插座25-軛鐵芯 26-外軛鐵 27-軛鐵底座28-磁鋼29-線圈 30-定心支片31-活塞具體實施方式
現在結合上述附圖和實施例來進一步詳細說明本發明的方法和系統。
如圖1所示，本實施例的測量方法使用的系統，包括施力裝置7，鐵電體試樣夾在施力裝置7的上探頭22和下探頭23之間，直流高壓電源3的正極通過一隻串聯電阻連接下探頭23上的下導電焊片21，直流高壓電源3的負極連接上探頭22上的上導電焊片20，下導電焊片21經過隔直電容6接入示波器4的輸入埠，上導電焊片20連接在示波器4的接地端。本例中，直流高壓電源由50節9V積層電池組組成，示波器選用的是V-212型20MHz示波器，另外，電阻5為1兆歐姆，作用是為了防止被測試樣的壓電電壓信號被直流高壓電源的輸出內阻所短路，隔直電容6為1微法，作用是為了在示波器測量壓電電壓信號時隔去直流高壓。
此前，信號源1的輸出端通過電纜與功率放大器2的輸入端電連接，功率放大器2的輸出端通過電纜連接到施力裝置7的信號輸入連接插座24上；本例中，信號源1為5020A函數發生器，功率放大器2為FDS-3型功率放大器，這樣，5020A函數發生器輸出的正弦波信號經FDS-3型功率放大器放大後送到電磁驅動器中線圈29的兩端，產生出低頻正弦波交變力作用到被測試樣上。
本實施例所用的施力裝置的具體結構，如圖2所示，包括兩個部分對不同試樣的機械夾持部分8-23和電磁驅動部分25-31；機械夾持部分包括一垂直放置的圓管型主殼體8，主殼體8的上埠有一內圓臺階，內圓臺階上通過固定環16將圓型定位膜片15的邊緣壓住，主殼體8的側面裝有一定位導軌9，在定位導軌9中平行設置有導軌槽和螺孔，直角型定位滑塊11的垂直部分在定位導軌9的導軌槽內，由導軌槽蓋10扣住，在定位滑塊11拐角處的水平部分有一垂向圓孔，調節杆12上端的光滑部分穿過圓孔並通過一卡盤定位在定位滑塊11的水平部分以相對轉動，且調節杆12光滑部分的頂端與調節手輪13連接，調節杆12下端的螺紋部分與定位導軌9上的螺孔相配合，這樣，轉動調節手輪13使得定位滑塊11可以隨著調節杆12一起上下滑動。
定位滑塊11的水平部分的前端位於主殼體8中心的正上方，在前端垂直向下依次安裝絕緣連接柱18、上導電焊片20和上探頭22；對應於此，其下方從上到下依次將下探頭23、下導電焊片21和下絕緣連接柱19安裝在連接定位杆14的上端，該連接定位杆14用一鎖緊螺母17固定在圓型定位膜片15的中心孔上，連接定位杆14的下端固定在電磁驅動器活塞31的上表面，這樣的結構可以使電磁驅動器活塞的31通過連接定位杆14推動下探頭23做單方向的上下運動。
電磁驅動部分25-31通過軛鐵底座27固定在主殼體8的下端面，其中，軛鐵芯25與磁鋼28粘在一起後固定在軛鐵底座27的中心，外軛鐵26同軸固定在軛鐵底座27上，使軛鐵芯25與外軛鐵26之間形成一均勻的圓環形間隙，由於磁鋼28的作用，圓環形間隙實際上是一個磁場間隙，線圈29的上端與活塞31的下表面固定在一起，線圈29的四周粘貼一圓環狀的定心支片30，該定心支片30的四周粘貼在外軛鐵26圓臺端面上，使得線圈29和外軛鐵26之間形成軟連接，以保證線圈29的下端自由垂掛在磁場間隙中，線圈29的兩端的引線與施力裝置主殼體8上的信號輸入連接插座24相連接，整個裝置中的絕緣連接柱18、上探頭22、下探頭23、下絕緣連接柱19、圓型定位膜片15、連接定位杆14、活塞31、線圈29、外軛鐵26、軛鐵芯25、磁鋼28、定心支片30均同軸固定，這樣，當在兩根引線之間通入正弦波電壓驅動信號時，由於電磁感應現象線圈29在上述的磁場間隙中上下反覆運動，從而推動活塞31做垂直反覆運動。
本實施例的具體工作過程為首先將極化過的被測鐵電體樣品(以下簡稱試樣)放置在施力裝置上、下探頭22、23之間，試樣的極性與電池組3所提供的電場方向相反(在本例中，試樣的正極面朝下)，旋轉調節手輪13將其夾住，打開5020A函數發生器1，選擇正弦波信號輸出，調節正弦波的輸出頻率為100Hz左右，調節正弦波的輸出幅度或FDS-3型功率放大器2的輸出幅度使施力裝置產生低頻正弦波交變力作用在被測試樣上，並且直接從示波器4上觀察由於正壓電效應而產生的低頻正弦波壓電電壓信號，該信號大致為百毫伏量級(可通過調節5020A函數發生器或FDS-3型功率放大器的輸出幅度來實現)。
然後，由小到大逐漸增加電池組3的輸出電壓(對試樣施加直流高壓電場)，並且同時從V-212型示波器4上觀察由於試樣受力而產生出的壓電電壓信號在直流高壓電場下的變化，試樣的壓電電壓信號將隨著直流反向電場的增大而逐漸變小，當試樣的壓電電壓信號變為零的時刻，讀出或測量出電池組3的輸出電壓值，然後再除以試樣的厚度，便得到了試樣的矯頑場強度。
當試樣的極性不詳時，可以先假設試樣的一面為正極插入施力裝置中，按照上述的步驟操作，如果在直流電場作用下試樣的壓電電壓信號變小則說明假設的極性正確，可以繼續操作，測量得到其矯頑場強度。如果在直流電場作用下試樣的壓電電壓信號變大或者不變則說明試樣的極性反了，這時只要將試樣從施力裝置中取出，翻一個面再重新插入施力裝置後測量即可。
權利要求
1.一種鐵電體矯頑場強度的測量方法，首先，在極化後的鐵電體試樣上施加一個低頻正弦波交變力，因壓電效應在鐵電體試樣兩端產生出低頻交變壓電電壓；再在該鐵電體試樣上施加一個與原鐵電體極化方向相反的直流高壓電場，從小到大調節直流高壓電場直至鐵電體樣品兩端的低頻交變壓電電壓為零，該直流高壓電場的大小就是鐵電體樣品的矯頑場強度；所述的低頻正弦波交變力的頻率為70-150Hz，其大小為0.1-1.5牛頓。
2.按權利要求1所述的鐵電體矯頑場強度的測量方法，其特徵在於，所述的直流高壓電場是通過在極化後的鐵電體上接通一直流高壓電源產生，所述直流高壓電源的正極通過一隻串聯電阻連接鐵電體的負極，直流高壓電源的負極連接鐵電體試樣的正極，該直流高壓電場的大小通過測量直流高壓電源的輸出電壓和鐵電體試樣的厚度計算得到。
3.一種鐵電體矯頑場強度的測量系統，包括示波器(4)，其特徵在於，還包括施加低頻正弦波交變力的施力裝置、直流高壓電源(3)、串聯電阻(5)和隔直電容(6)，其中，鐵電體試樣放置在施力裝置的兩個探頭中間，所述施力裝置中，信號源(1)通過電纜與功率放大器(2)的輸入端相連，功率放大器(2)的輸出端通過電纜連接到施力裝置的信號輸入連接插座(24)上；所述直流高壓電源(3)的正極通過一隻串聯電阻(5)連接到鐵電體試樣的負極，直流高壓電源(3)的負極連接鐵電體試樣的正極；所述鐵電體試樣的負極經過隔直電容(6)接入示波器輸入埠，鐵電體試樣的正極連接在示波器的接地端。
4.按權利要求3所述的鐵電體矯頑場強度的測量系統，其特徵在於，所述的功率放大器為不低於10瓦的音頻功率放大器。
5.按權利要求3所述的鐵電體矯頑場強度的測量系統，其特徵在於，所述的直流高壓電源為連續可調的，其輸出紋波電壓的最大值小於10毫伏的直流高壓電源。
6.按權利要求3所述的鐵電體矯頑場強度的測量系統，其特徵在於，所述的直流高壓電源用數十節9伏積層電池串聯而成。
7.按權利要求3所述的鐵電體矯頑場強度的測量系統，其特徵在於，所述的示波器為雙通道電子示波器。
全文摘要
本發明涉及一種鐵電體矯頑場強度的測量方法及其系統，該方法根據當外力在一定範圍內，極化過的鐵電體樣品所受到的外力與所得到的壓電電壓成正比的關係，在極化後的鐵電體試樣施加一個低頻正弦波交變力，以在鐵電體試樣兩端產生出與低頻正弦波交變力相對應的低頻交變壓電電壓；再在該鐵電體試樣上施加一個直流高壓電場，從小到大調節直流高壓電場直至鐵電體樣品的低頻交變壓電電壓為零，該直流高壓電場的大小就是鐵電體樣品的矯頑場強度；所述的直流高壓電場由直流高壓的電壓除以鐵電體試樣的厚度得到。該方法通過測量極化過的鐵電體試樣受到外力作用時自身產生出的壓電電壓在附加直流高壓電場作用下的變化來直接得到其矯頑場強度。
文檔編號G01R31/00GK1629645SQ20031012153
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者潘潮, 陳守六, 解寶興, 金亨煥, 易曉星, 章力旺 申請人:中國科學院聲學研究所