PVDF压电薄膜静态法压电常数d的制作方法

pvdf压电薄膜静态法压电常数d
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的测量装置及其测量方法
技术领域
1.本发明涉及压电薄膜压电常数测量技术领域，特别是涉及一种pvdf压电薄膜静态法压电常数d
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的测量装置及其测量方法。


背景技术：

2.压电薄膜被广泛应用于声学、医疗、交通等诸多领域。在使用压电薄膜的过程中，经常需要对压电常数d
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和d
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进行测量，目前普遍使用准静态d
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测量仪测量压电常数d
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。目前，申请号为2021101187867的发明专利公开了一种测量压电材料的横向压电常数的测量夹具，申请号为2019205506427的实用新型专利公开了一种用于测量压电材料的横向压电常数的专用测量夹具，其测试方法大多针对规则的直方体或是圆柱体，对所进行的测试的样品的形状有一定的要求。而由于pvdf压电薄膜是一种柔软的薄片形态，无法像现有的技术中在pvdf压电薄膜的拉伸方向上和其垂直方向施加压力，因此无法有效测量pvdf压电薄膜的横向压电常数d
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。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种pvdf压电薄膜静态法压电常数d
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的测量装置及其测量方法，以达到可以测量pvdf压电薄膜的横向压电常数d
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，测量方便，精准可靠的目的。
4.本发明所提供的pvdf压电薄膜静态法压电常数d
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的测量装置，包括底座、固定端夹头、移动端夹头、力传感器、传动部、电荷测量部，所述底座包括底板和固定板，固定板固定在底板的一端，固定板上设置有固定端夹头；所述底板上设置有传动部；所述力传感器上设置有与固定端夹头相对应的移动端夹头；所述传动部包括滑块、滑杆、螺纹杆、传动器和综合控制器，所述螺纹杆的一端通过轴承设置在固定板上，螺纹杆的另一端穿过滑块通过轴承设置在传动器的外壳上；所述滑杆的一端设置在固定板上，滑杆的另一端穿过滑块设置在传动器的外壳上；所述滑块设置有与螺纹杆相适配的螺纹，滑块的左侧设置有力传感器；所述综合控制器控制连接力传感器和传动器；所述电荷测量部包括电荷放大器和电压表，电荷放大器的输入端连接pvdf压电薄膜，电荷放大器的输出端连接电压表。
5.进一步，所述固定端夹头包括第一连接柱、固定端前夹板、固定端后夹板和第一控制阀，所述第一连接柱的一端固定在固定板上，第一连接柱的另一端前侧活动设置有固定端前夹板，第一连接柱的另一端设置有固定端后夹板；所述固定端前夹板的前侧设置有第一控制阀，第一控制阀控制连接固定端前夹板。
6.进一步，所述移动端夹头包括第二连接柱、移动端前夹板、移动端后夹板、第二控制阀，所述第二连接柱的一端固定在力传感器上，第二连接柱的另一端前侧活动设置有移动端前夹板，第二连接柱的另一端后侧设置有移动端后夹板；所述移动端前夹板的前侧设置有第二控制阀，第二控制阀控制连接移动端前夹板。
7.进一步，所述pvdf压电薄膜印刷导电油墨或贴铜箔，形成pvdf压电薄膜的第一电极和第二电极，电荷放大器连通第一电极和第二电极。
8.进一步，所述固定端前夹板、固定端后夹板、移动端前夹板和移动端后夹板均设置有绝缘橡胶。
9.本发明所提供的pvdf压电薄膜静态法压电常数d
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的测量方法，包括以下步骤：步骤1，将待测的pvdf压电薄膜剪裁成小片张，并在上印刷导电油墨或贴铜箔，形成pvdf压电薄膜的第一电极和第二电极，制成待测pvdf压电薄膜样品，并计算待测pvdf压电薄膜样品电荷收集区域面积a和pvdf压电薄膜的有效截面区域面积s；步骤2，将步骤1的待测pvdf压电薄膜样品的两端分别使用固定端夹头和移动端夹头固定住；电荷放大器连通第一电极和第二电极；步骤3，在综合控制器上设置力值f，按启动按钮，力传感器和传动器开始工作，滑块在滑杆和螺纹杆的作用下，移动端夹头向远离固定端夹头的方向移动；当力传感器测得力值达到设定值后，传动器即停止工作；步骤4，手动关闭第二控制阀开关，此时第二控制阀停止工作，使待测pvdf压电薄膜样品脱离移动端夹头；此时电压表会显示f突然消失所产生的电压信号，当f消失的瞬间，电压表上出现电压信号即为有效，记录下电荷放大器显示的电荷量q；步骤5，通过公式d
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=(q/a)/(f/s)计算得到d
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，其中，q为电荷量；a为pvdf薄膜电荷收集区域面积；f为施加的力；s为pvdf薄膜的有效截面区域面积。
10.进一步，所述步骤2中，启动第一控制阀开关，第一控制阀打开固定端前夹板，将步骤1的pvdf压电薄膜的左端固定在固定端前夹板和固定端后夹板之间，关闭第一控制阀开关，第一控制阀会使固定端前夹板和固定端后夹板夹紧待测pvdf压电薄膜样品左端；启动第二控制阀开关，第二控制阀打开移动端前夹板，启动综合控制器，通过综合控制器上的手动进和手动退按钮移动移动端夹头，调节移动端夹头和待测pvdf压电薄膜样品右端的相对位置，使移动端夹头可以恰当的夹住待测pvdf压电薄膜样品右端，关闭第二控制阀开关，第二控制阀会使移动端前夹板和移动端后夹板夹紧待测pvdf压电薄膜样品右端；将步骤1的pvdf压电薄膜的右端固定在移动端前夹板32和移动端后夹板33之间。
11.进一步，所述步骤3中，通过综合控制器上的手动进和手动退按钮移动移动端夹头，使固定端夹头和移动端夹头将待测pvdf压电薄膜样品固定住；然后，综合控制器上设置力值f，按启动按钮，移动端夹头向远离固定端夹头的方向移动。
12.进一步，所述pvdf压电薄膜的拉伸方向通常记为1方向，在压电薄膜面内垂直于1方向的为2方向，压电薄膜的厚度方向为3方向；压电常数d
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是在电场强度为0或恒定时压电材料中应力分量χ1的改变引起的电位移分量d3的改变与应力分量χ1改变之比。
13.即其中d
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为压电常数；d为电位移；x为应力；e为电场强度；角标1为1方向，角标3为3方向。
14.公式（1）进一步化简得到：
其中，q为电荷量；a为pvdf薄膜电荷收集区域面积；f为施加的力；s为pvdf薄膜的有效截面区域面积。
15.进一步，将所述的pvdf压电薄膜静态法压电常数d
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的测量装置放置在恒温恒湿箱中进行测量，可得到在特定环境温度和湿度下的压电常数d
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。
16.本发明所提供的pvdf压电薄膜静态法压电常数d
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的测量装置及其测量方法，将待测的pvdf压电薄膜印刷导电油墨或贴铜箔，形成pvdf压电薄膜的第一电极和第二电极，并计算待测pvdf压电薄膜样品电荷收集区域面积a和pvdf压电薄膜的有效截面区域面积s。将待测pvdf压电薄膜样品使用固定端夹头和移动端夹头固定住，电荷放大器连通第一电极和第二电极后，综合控制器上设置力值f，记录下电荷放大器显示的电荷量q，通过公式d
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=(q/a)/(f/s)计算得到d
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。采用静态法，可测量比较柔软的pvdf压电薄膜的横向压电常数d
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。因此，本发明具有可以测量pvdf压电薄膜的横向压电常数d
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，测量方便，精准可靠的积极效果。
附图说明
17.附图部分公开了本发明具体实施例，其中，图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的滑块的结构示意图；图3是本发明的电荷测量部和pvdf压电薄膜的连接示意图；图4是本发明的pvdf压电薄膜的拉伸方向图；图5是本发明的使用状态图；附图标记：1、底座；11、底板；12、固定板；2、固定端夹头；21、第一连接柱；22、固定端前夹板；23、固定端后夹板；24、第一控制阀；25、第一控制阀开关；3、移动端夹头；31、第二连接柱；32、移动端前夹板；33、移动端后夹板；34、第二控制阀；35、第二控制阀开关；4、力传感器；5、传动部；51、滑块；52、滑杆；53、螺纹杆；54、传动器；55、综合控制器；56、轴承；6、电荷测量部；61、电荷放大器；62、电压表；7、pvdf压电薄膜；71、第一电极；72、第二电极。
具体实施方式
18.如图1-4所示，本发明所提供的pvdf压电薄膜静态法压电常数d
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的测量装置，包括底座1、固定端夹头2、移动端夹头3、力传感器4、传动部5、电荷测量部6，底座1包括底板11和固定板12，固定板12固定在底板11的一端，固定板12上设置有固定端夹头2；底板11上设置有传动部5；力传感器4上设置有与固定端夹头2相对应的移动端夹头3；传动部5包括滑块51、滑杆52、螺纹杆53、传动器54和综合控制器55，螺纹杆53的一端通过轴承56设置在固定板12上，螺纹杆53的另一端穿过滑块51通过轴承56设置在传动器54的外壳上；滑杆52的一端设置在固定板12上，滑杆52的另一端穿过滑块51设置在传动器54的外壳上；滑块51设置有与螺纹杆53相适配的螺纹，滑块51的左侧设置有力传感器4；综合控制器55控制连接力传感器4和传动器54；电荷测量部6包括电荷放大器61和电压表62，电荷放大器61的输入端连接pvdf压电薄膜7，电荷放大器61的输出端连接电压表62。
19.实施例1：如图5所示，本发明在使用时，首先，将待测的pvdf压电薄膜7剪裁成小片张，并在
上印刷导电油墨或贴铜箔，形成pvdf压电薄膜的第一电极71和第二电极72，制成待测pvdf压电薄膜样品，并计算待测pvdf压电薄膜样品pvdf压电薄膜电荷收集区域面积a和pvdf压电薄膜的有效截面区域面积s。然后，将待测pvdf压电薄膜样品的两端分别使用固定端夹头2和移动端夹头3固定住；电荷放大器61连通第一电极71和第二电极72。之后，在综合控制器上设置力值f，按启动按钮，力传感器4和传动器54开始工作，滑块51在滑杆52和螺纹杆53的作用下，移动端夹头3向远离固定端夹头2的方向移动；当力传感器4测得力值达到设定值后，传动器54即停止工作。再后，手动关闭第二控制阀开关35，此时第二控制阀34停止工作，使待测pvdf压电薄膜样品脱离移动端夹头3；此时电压表62会显示f突然消失所产生的电压信号，当f消失的瞬间，不出现电压信号即为无效；当f消失的瞬间，电压表上出现电压信号即为有效，记录下电荷放大器61显示的电荷量q；最后，通过公式d
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=(q/a)/(f/s)计算得到d
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，其中，q为电荷量；a为pvdf薄膜电荷收集区域面积；f为施加的力；s为pvdf薄膜的有效截面区域面积。可多次测量取平均值，以提高pvdf压电薄膜压电常数d
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的测量准确性。
20.上述固定端夹头2包括第一连接柱21、固定端前夹板22、固定端后夹板23和第一控制阀24，第一连接柱21的一端固定在固定板12上，第一连接柱21的另一端前侧活动设置有固定端前夹板22，第一连接柱21的另一端设置有固定端后夹板23；固定端前夹板22的前侧设置有第一控制阀24，第一控制阀24控制连接固定端前夹板22。启动第一控制阀开关25，第一控制阀24打开固定端前夹板22，将步骤1的pvdf压电薄膜的左端固定在固定端前夹板22和固定端后夹板23之间。
21.上述移动端夹头3包括第二连接柱31、移动端前夹板32、移动端后夹板33、第二控制阀34，第二连接柱31的一端固定在力传感器4上，第二连接柱31的另一端前侧活动设置有移动端前夹板32，第二连接柱31的另一端后侧设置有移动端后夹板33；移动端前夹板32的前侧设置有第二控制阀34，第二控制阀34控制连接移动端前夹板32。启动第二控制阀开关35，第二控制阀34打开移动端前夹板32，将步骤1的pvdf压电薄膜的右端固定在移动端前夹板32和移动端后夹板33之间。
22.上述固定端前夹板22、固定端后夹板23、移动端前夹板32和移动端后夹板33均设置有绝缘橡胶，避免测量误差，提高测量准确度。
23.实施例2：如图3所示，pvdf压电薄膜7印刷导电油墨或贴铜箔，形成pvdf压电薄膜的第一电极71和第二电极72，电荷放大器61连通第一电极71和第二电极72。电荷放大器61的输入端连接pvdf压电薄膜7，电荷放大器61的输出端连接电压表62。将待测pvdf压电薄膜7裁成小片张。在pvdf压电薄膜7的两侧印刷导电油墨或贴铜箔，形成pvdf压电薄膜的第一电极71和第二电极72。形成pvdf压电薄膜的第一电极71和第二电极72的大小一致，相对的贴在或印刷在pvdf压电薄膜的两侧，并保证与外电路连接的电极接头的引出方向与pvdf压电薄膜的2方向一致，制成待测pvdf压电薄膜样品。计算待测pvdf压电薄膜样品的电荷收集区域面积a，pvdf压电薄膜的有效截面区域面积s。
24.实施例3：本发明所提供的pvdf压电薄膜静态法压电常数d
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的测量方法，包括以下步骤：步骤1，将待测的pvdf压电薄膜7剪裁成小片张，并在上印刷导电油墨或贴铜箔，形成pvdf压电薄膜的第一电极71和第二电极72，制成待测pvdf压电薄膜样品，并计算待测
pvdf压电薄膜样品电荷收集区域面积a和pvdf压电薄膜的有效截面区域面积s。
25.步骤2，将步骤1的待测pvdf压电薄膜样品的两端分别使用固定端夹头2和移动端夹头3固定住。启动第一控制阀开关25，第一控制阀24打开固定端前夹板22，将步骤1的pvdf压电薄膜的左端固定在固定端前夹板22和固定端后夹板23之间，关闭第一控制阀开关25，第一控制阀24会使固定端前夹板22和固定端后夹板23夹紧待测pvdf压电薄膜样品左端；启动第二控制阀开关35，第二控制阀34打开移动端前夹板32，启动综合控制器55，通过综合控制器55上的手动进和手动退按钮移动移动端夹头3，调节移动端夹头3和待测pvdf压电薄膜样品右端的相对位置，使移动端夹头3可以恰当的夹住待测pvdf压电薄膜样品右端，关闭第二控制阀开关35，第二控制阀34会使移动端前夹板32和移动端后夹板33夹紧待测pvdf压电薄膜样品右端；将步骤1的pvdf压电薄膜的右端固定在移动端前夹板32和移动端后夹板33之间。电荷放大器61连通第一电极71和第二电极72。
26.步骤3，通过综合控制器55上的手动进和手动退按钮移动移动端夹头3，使固定端夹头2和移动端夹头3将待测pvdf压电薄膜样品固定住；然后，综合控制器上设置力值f，力传感器4和传动器54开始工作，滑块51在滑杆52和螺纹杆53的作用下，将移动端夹头3向远离固定端夹头2的方向移动；当力传感器4测得力值达到设定值后，传动器54即停止工作。
27.步骤4，手动关闭第二控制阀开关35，此时第二控制阀停止34工作，使待测pvdf压电薄膜样品脱离移动端夹头3；此时电压表62会显示f突然消失所产生的电压信号，当f消失的瞬间，不出现电压信号即为无效；当f消失的瞬间，电压表上出现电压信号即为有效，记录下电荷放大器61显示的电荷量q。
28.步骤5，通过公式d
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=(q/a)/(f/s)计算得到d
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，其中，q为电荷量；a为pvdf薄膜电荷收集区域面积；f为施加的力；s为pvdf薄膜的有效截面区域面积。可多次测量取平均值，以提高pvdf压电薄膜压电常数d
31
的测量准确性。
29.pvdf压电薄膜的拉伸方向通常记为1方向，在压电薄膜面内垂直于1方向的为2方向，压电薄膜的厚度方向为3方向；压电常数d
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是在电场强度为0或恒定时压电材料中应力分量χ1的改变引起的电位移分量d3的改变与应力分量χ1改变之比。
30.即其中d
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为压电常数；d为电位移；x为应力；e为电场强度；角标1为1方向，角标3为3方向。
31.公式1进一步化简得到：其中，q为电荷量；a为pvdf薄膜电荷收集区域面积；f为施加的力；s为pvdf薄膜的有效截面区域面积。
32.将pvdf压电薄膜静态法压电常数d
31
的测量装置放置在恒温恒湿箱中进行测量，可得到在特定环境温度和湿度下的压电常数d
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。