Автоматический стенд для измерения диэлектрических параметров пьезоэлектрических материалов
Область применения: измерения электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов в широком диапазоне частот измерительного электрического поля 10-3-105 Гц. Технический результат - расширение диапазона частот измерительного электрического поля в сторону низких частот до 10-3 Гц в широком интервале температур 20-700°С и расширение функциональных возможностей за счет измерения сопротивления образца на постоянном электрическом токе. Введение экранирования измерительной ячейки и термопары обеспечивает устранение электрических помех в диапазоне частот измерительного электрического поля 10-3-10 5 Гц, а возможность измерения сопротивления измерительного образца на постоянном электрическом токе позволяет дополнительно одновременно исследовать температурные зависимости удельного электрического сопротивления измерительного образца от температуры.
1 н.п. ф-лы
1 ИЛ.
Автоматический стенд для измерения диэлектрических параметров пьезоэлектрических материалов.
Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов в широком диапазоне частот измерительного электрического поля 10-3-105 Гц.
Известно автоматическое устройство для измерения параметров и паспортизации при комнатной температуре пьезоэлементов, преобразователей и устройств пьезотехники «Пьезо-1», выпускаемый НКТБ «Пьезоприбор» Южного федерального университета [1], содержащее измерительный блок с ЭВМ, звуковой генератора ГЗ-110, измерительный мост типа Е7-8. Диапазон частот измерительного электрического поля составляет 0.1-2000 кГц, диапазон измеряемой емкости 0.1-10 нФ.
При разработке и аттестации новых пьезокерамических материалов и устройств на их основе необходимо проводить измерения электрофизических параметров в широком интервале температур 20-700°С и диапазоне частот измерительного электрического поля 10-3-10 6 Гц с возможностью графического отображения полученных зависимостей.
Усовершенствованием описанного выше устройства является лабораторный стенд для измерения температурных зависимостей емкости, диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь твердых диэлектриков в интервале температур 20-150°С при частотах измерительного электрического поля 120 Гц и 1 кГц [2].
Однако известный лабораторный стенд не позволяет проводить измерения на частотах измерительного электрического поля, отличных от 120 Гц и 1 кГц, и при температурах выше 150°С.
Наиболее близким по выполнению к заявляемой полезной модели является автоматический измерительный стенд электрофизических параметров сегнето-пьезоматериалов (RU 
66552 U1, МПК G01R 31/312, опуб. 10.09.2007) [3].
Известный автоматический стенд предназначен для исследования и проведения измерений электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов в широком интервале температур от комнатной до 700°С в диапазоне частот измерительного электрического поля от 25-10 6 Гц, что позволяет исследовать дисперсию диэлектрической проницаемости пьезоэлектрических керамических материалов. Автоматический измерительный стенд содержит измерительную ячейку с образцом, помещенную в термокамеру со встроенной термопарой и состоящую из цилиндрической керамической трубки, нагревательного элемента и термоизоляции, терморегулятора, первый выход которого соединен через согласующий блок с термокамерой, а второй выход через com port 1 с персональным компьютером, вход соединен с контактами термопары. Контакты измерительной ячейки подключены параллельно к измерительным входам измерителя импеданса, выход которого через com port 2 подключен к персональному компьютеру.
Конструкция термокамеры не обеспечивает экранирование измеряемого образца от воздействия внешних электрических полей в диапазоне 10-3-102 Гц, в котором электрические помехи приводят к ошибке измерений, кроме того используемый измеритель импеданса не позволяет проводить измерения при частотах ниже 25 Гц.
Задачей настоящей полезной модели является расширение диапазона частот измерительного электрического поля в сторону низких частот до 10-3 Гц, в широком интервале температур 20-700°С, расширение функциональных возможностей за счет экранирования измерительной ячейки от воздействия внешних электрических полей, использования в стенде измерителя импеданса, имеющего рабочий частотный диапазон 10-3-105 Гц и возможности измерения сопротивления образца на постоянном электрическом токе.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматический стенд для измерения диэлектрических параметров пьезоэлектрических материалов содержит измерительную ячейку с измеряемым образцом, помещенную в держателе в термокамеру, снабженную термопарой, и содержащую цилиндрическую керамическую трубку, нагревательный элемент с теплоизоляцией и терморегулятор, первый выход которого соединен через согласующий блок с термокамерой, а второй выход - с персональным компьютером, вход терморегулятора соединен с контактами термопары. Контакты измерительной ячейки подключены параллельно к измерительным входам измерителя импеданса, выход которого подключен к персональному компьютеру.
Согласно полезной модели внутренняя поверхность цилиндрической керамической трубки и термопара снабжены металлическим экраном, а в качестве измерителя импеданса использован измеритель импеданса, имеющий рабочий диапазон частот 10-3-105 Гц с возможностью измерения сопротивления измерительного образца на постоянном электрическом токе.
Введение экранирования измерительной ячейки и термопары обеспечивает устранение электрических помех в диапазоне частот измерительного электрического поля 10 -3-105 Гц, а возможность измерения сопротивления измерительного образца на постоянном электрическом токе позволяет дополнительно одновременно исследовать температурные зависимости удельного электрического сопротивления измерительного образца от температуры, что важно при анализе дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости пьезоэлектрических материалов в области частот и учитывать вклад сквозной электропроводности в дисперсию комплексной диэлектрической проницаемости на частотах 10-3-10 5 Гц.
На фигуре представлена схема автоматического стенда для исследования электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов.
Автоматический стенд для измерения электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов содержит блок управления на базе персонального компьютера 1, измерительную ячейку с образцом 2, помещенную в термокамеру 3 со встроенной термопарой 4 и состоящую из цилиндрической керамической трубки 5, нагревательного элемента 6 и термоизоляции 7, при этом внутренняя поверхность цилиндрической керамической трубки 5 и термопара 4 снабжены металлическими экранами 8 и 9, соответственно, терморегулятора 10, первый выход которого соединен через согласующий блок 11 с термокамерой 3, а второй выход - с персональным компьютером 1, вход терморегулятор 10 соединен с контактами термопары 4. Контакты измерительной ячейки 2 подключены параллельно к измерительным входам измерителя импеданса 12, имеющего рабочий диапазон частот 10-3-105 Гц с возможностью измерения сопротивления измерительного образца на постоянном электрическом токе, выход которого подключен к персональному компьютеру 1. В качестве измерителя импеданса 12 использован LCR-metr HIОКI 3522-50.
Автоматический стенд для измерения диэлектрических параметров пьезоэлектрических материалов работает следующим образом. При включении питание стенда в стандартную электрическую сеть (220 В) запускают специализированную программу «Расчет диэлектрических параметров при инфранизких частотах переменного электрического тока различных пьезокерамических материалов с помощью LCR-metra HIOKI 3522-50», установленную на ПК 1. Далее на терморегуляторе 10 задается максимальная температура и время нагревания исследуемого образца и запускается программа нагрева термокамеры 4. Терморегулятор 10 через согласующий блок 11 подает необходимое напряжение на нагревательный элемент 6 термокамеры 3 и считывает температуру внутри термокамеры 3 с помощью термопары 4. Персональный компьютер 1 считывает температуру внутри термокамеры 3 с терморегулятора 10 и при достижении заданной температуры измеритель импеданса 12 подает переменное электрическое измерительное поле заданной амплитуды и частоты на измерительную ячейку с образцом 2 и производит измерение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь исследуемого образца. Цифровой сигнал с данными измерений от измерителя импеданса 12 поступает на ПК 1, где происходит перерасчет электрофизических параметров с учетом геометрических размеров исследуемого образца, их графическое отображение в виде температурных зависимостей относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, и запись полученных результатов в файл. Изменение частоты происходит в диапазоне 10-3-105 Гц в соответствии с установленными ранее опциями. Дополнительно может быть осуществлено измерение сопротивления измерительного образца на постоянном электрическом токе. Данный порядок действий повторяется через заданный температурный интервал и прекращается при достижении заданной изначально максимальной температуры, которая не превышает 700°С.
Источники информации:
1. Автоматическое устройство для измерения параметров и паспортизации пьезоэлементов, преобразователей и устройств пьезотехники «Пьезо-1». Каталог НКТБ «Пьезоприбор», г.Ростов-на-Дону
2. Лабораторный стенд «Изучение диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь в твердых диэлектриках» МВ004. ОАО РНПО «Росучприбор», г.Москва. http://www.rosuchpribor.ru/russian/Prof2007/materialoved/m-3.html
3. Автоматический измерительный стенд электрофизических параметров сегнето-пьезоматериалов. RU 66552 U1, МПК G01R 31/312, опуб. 10.09.2007 - прототип.
Автоматический стенд для измерения диэлектрических параметров пьезоэлектрических материалов, содержащий измерительную ячейку с измеряемым образцом, помещенную в термокамеру, снабженную термопарой, и содержащую цилиндрическую керамическую трубку, нагревательный элемент с теплоизоляцией и терморегулятор, первый выход которого соединен через согласующий блок с термокамерой, а второй - с персональным компьютером, вход терморегулятора соединен с контактами термопары, контакты измерительной ячейки подключены параллельно к измерительным входам измерителя импеданса, выход которого подключен к персональному компьютеру, отличающийся тем, что внутренняя поверхность цилиндрической керамической трубки и термопара снабжены металлическим экраном, а измеритель импеданса имеет рабочий диапазон частот 10-3-105 Гц с возможностью измерения сопротивления образца на постоянном электрическом токе.
