CN108646004A - 一种光电陶瓷的温度控制实验装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电陶瓷的温控装置及测试方法，所述温度控制实验装置包括隔震平台、透明温控罩和离心式鼓风机；所述方法可有效地控制光致伸缩驱动器的温度升高，有效控制弯曲变形与光生电压之间的迟滞现象对PLZT性能测试的影响，提高光致伸缩驱动器的驱动性能。
Description
技术领域
本发明属于光致伸缩材料领域，具体涉及一种光电陶瓷温度控制实验装置及性能测试方法。
背景技术
锆钛酸铅镧陶瓷PLZT光电材料具有反常的光生伏打效应，同时也是压电陶瓷的一种，具有逆压电效应，在反常的光生伏打效应和逆压电效应共同作用下，会发生光致伸缩效应。0-3极化PLZT铁电陶瓷作为一种光致伸缩材料，在特定波长的紫外光照射下，由于反常的光生伏打效应，会沿着厚度方向产生相当高非均匀分布电场，在逆压电效应作用下产生非均匀应变从而导致弯曲变形。由于PLZT陶瓷作为光致驱动器有重要的应用，国内外很多学者对PLZT陶瓷光致伸缩特性及其本构方程做了深入研究，并在实际应用取得了很大的成果。Uchino、Fukuda、Morikawa和Poosanaas等人分别对双晶片式光致伸缩驱动器开展了深入研究，并对其进行了有效的应用。双晶片结构是由两块极化方向相反的PLZT陶瓷组成，公用一对公共电极，当高能紫外光照射到驱动器上时，受光面的PLZT陶瓷产生与极化方向相同的电压，由于光致伸缩效应，此侧的陶瓷片将会伸长，而背光面的陶瓷生成的电压与极化方向相反，这一侧会缩短，从而是整个双晶片结构发生弯曲变形。Uchino等人在1987年，利用PLZT双晶片的结构特性设计了一种光继电器，当光照到PLZT双晶片时，继电器处于导通状态，当光照到PLZT单面陶瓷片时，继电器断开，在1989年他还设计了一种通过双晶片光致伸缩驱动器驱动的微型行走器；Fukuda等人提出了一种光控微夹钳的概念，PLZT陶瓷不受电磁干扰，在显微外科手术等医学领域具有很大的应用前景；Poosanaas等人在2000年基于电压源模型对反常光生伏特效应进行解释，在考虑二阶非线性磁化系数的情况下，计算出光生电场强度、光电流密度与光照强度的关系，并利用光致伸缩效应提出了一种“向日葵”装置,这个装置在太阳能板的两侧分别装上两个光致伸缩驱动器，当阳光倾斜照射时，会造成两边应力不平衡，直到阳光直射时，应力平衡，这样太阳能板会随着阳光旋转，能最大程度发挥太阳能板的功效，如图PLZT陶瓷驱动由于不需要导线连接从而避免了外界电磁场等不利因素的扰动，能够实现远程非接触控制，无线能量传输，具有重要的研究价值和广泛的工程应用前景。随着科学技术的飞速发展，智能结构形状控制在航空航天、精密控制与测量等领域应用广泛。相比于传统的压电驱动器，PLZT光电陶瓷驱动器同时具有铁电、热释电、压电材料的特性，在一定光强照射下会在上下电极之间产生很高的光生电压，将光能转化为电能，进行无线传输能量，且不受电磁噪声等不利因素影响，可以对其远程控制，具有广阔的应用前景。实验研究表明PLZT光生电压与光致形变之间存在的迟滞现象以及光停阶段出现的很大负电压都与PLZT的温度升高有关，但目前很少有研究涉及PLZT的温度控制。
发明内容
为了克服现有技术不足，提出了一种光电陶瓷的温度控制实验装置及性能测试方法，所述测试方法利用一个温度控制实验装置进行测试，所述方法可有效地控制光致伸缩驱动器的温度升高，提高了光致伸缩驱动器的驱动性能。
本发明技术方案为：一种光电陶瓷的温控实验测试方法，所述方法利用一种光电陶瓷的温度控制实验装置进行测试，所述温度控制实验装置包括隔震平台、透明温控罩和吹风装置；所述透明温控罩为由透明材料制成的长方体箱型结构，其设有一个空气入口，布置在所述隔震平台上，在所述透明温控罩的正前面上部设有一圆孔，所述吹风装置安装在所述圆孔处；所述透明温控罩的后面不封闭，以保证空气流动；在所述透明温控罩内设有PLZT陶瓷试件、紫外光源探头、非接触式位移传感器探头、红外测温仪探头和夹持结构；在所述隔震平台上设有测试所需的紫外光源控制器、 非接触式位移传感器控制台、红外测温仪控制器、计算机和银质导线；所述PLZT陶瓷试件一端固定，一端自由，固定端用上下两层透明的亚克力板夹持；所述PLZT陶瓷试件沿长度方向两端电极处分别涂有导电银胶，用以连接所述银质导线，导线另一端自由，这端连接测量光生电压以及光生电流等数据的仪器；所述紫外光源探头布置在PLZT陶瓷试件正上方，固定在一个支架上，通过导线与所述紫外光源控制器相连,紫外光源探头在紫外光源控制器的控制下可发射365nm紫外光； 所述非接触式位移传感器探头设置在光电陶瓷的正前方,用于测量光电陶瓷自由端的输出位移,非接触式位移传感器探头通过数据线将数据传递到非接触式位移传感器控制台上；所述非接触式位移传感器控制台与计算机相连，测量值通过一个NI数据采集卡导入计算机并用Labview软件进行采集；所述红外测温仪探头放置在PLZT陶瓷片附近，测得数据通过计算机的专用软件采集；所述银质导线、数据线可通过所述透明温控罩的空气入口处导出，实现探头与控制器的连接。所述PLZT陶瓷试件性能测试主要包括如下步骤： 步骤一：在计算机上设置采样频率和时间；步骤二：调节所述紫外光源的功率以及所述紫光源照射探头与陶瓷片的距离调节，采用紫外光照度计对光照强度进行标定；步骤三：将高阻抗静电计的工作方式设定为‘电压’测量；步骤四：开启紫外光源控制器、高阻抗静电计、红外测温仪、非接触式位移传感器控制台、吹风装置的电源开关，计算机开始记录实验数据；步骤五：待完成设定时间测试后，关闭紫外光源控制器、高阻抗静电计、红外测温仪、非接触式位移传感器控制台、吹风装置的电源开关；步骤六：将高阻抗静电计的工作方式设定为‘电流’测量；步骤七：重复步骤四、五完成全部测试。
有益效果：
本发明利用温度控制实验装置可有效地控制光致伸缩驱动器的温度升高，提高了光致伸缩驱动器的驱动性能。
附图说明
图1为本发明温度控制实验装置结构图。
具体实施方式
本发明涉及一种光电陶瓷的温控实验测试方法，所述方法利用一种光电陶瓷的温度控制实验装置进行测试。
PLZT陶瓷反常的光生伏特效应发生在铁电材料的自发极化方向上，制成的PLZT陶瓷自发极化无序，宏观无极性。按照极化方向的不同，可分为按照长度极化的0-1极化PLZT陶瓷和按厚度方向极化的0-3极化PLZT陶瓷。0-1极化PLZT陶瓷的电极位于沿长度方向的两侧面处，陶瓷表面受到紫外光照射时，由于反常的光生伏特效应将会沿极化方向产生一个均匀光致电场，这个电场会导致光致应变从而使陶瓷片发生伸长；0-3极化PLZT陶瓷表面受到紫外光照射时，将会产生一个沿厚度变化的非均匀电场，这个电场会在长度方向造成沿厚度变化的光致应变，这样就会产生弯矩，造成0-3极化的PLZT陶瓷发生弯曲，0-3极化的PLZT陶瓷电极是受光面，不同于0-1极化的电极可用金属电极（如铜电极），0-3极化的电极必须是透明电极，这种透明电极可采用在陶瓷片的上下表面喷射氧化铟锡（ITO）制备。
PLZT陶瓷材料同时具有铁电、热释电、压电材料的特性，在一定光强照射下会在上下电极之间产生很高的光生电压，并使PLZT陶瓷发生弯曲变形。所述温度控制实验装置能实验测量PLZT陶瓷的表面温度、光生电压、光生电流及端部位移和挠度，研究它们随时间的变化趋势和影响因素；实验观察到了光生电压与光致形变之间的迟滞现象，光停阶段出现很大的负电压，负电流和反向弯曲等现象，并针对这些现象结合实验数据进行合理解释；能实验测量反复光生-光停PLZT陶瓷的光致特性以及对PLZT陶瓷的光致特性的影响因素。
所述温度控制实验装置包括隔震平台、透明温控罩和吹风装置，本实施例中所采用的额吹风装置为鼓风机；所述透明温控罩为由透明材料制成的长方体箱型结构，其设有一个空气入口，布置在所述隔震平台上，在所述透明温控罩的正前面上部设有一圆孔，所述离心式鼓风机安装在所述圆孔处；所述透明温控罩的后面不封闭，以保证空气流动；在所述透明温控罩内设有PLZT陶瓷试件、紫外光源探头、非接触式位移传感器探头、红外测温仪探头和夹持结构；在所述隔震平台上设有测试所需的紫外光源控制器、 非接触式位移传感器控制台、红外测温仪控制器、计算机和银质导线；所述PLZT陶瓷试件一端固定，一端自由，固定端用上下两层透明的亚克力板夹持；所述PLZT陶瓷试件沿长度方向两端电极处分别涂有导电银胶，用以连接所述银质导线，导线另一端自由，这端连接测量光生电压以及光生电流等数据的仪器；所述紫外光源探头布置在PLZT陶瓷试件正上方，固定在一个支架上，通过导线与所述紫外光源控制器相连,紫外光源探头在紫外光源控制器的控制下可发射365nm紫外光； 所述非接触式位移传感器探头设置在光电陶瓷的正前方,用于测量光电陶瓷自由端的输出位移,非接触式位移传感器探头通过数据线将数据传递到非接触式位移传感器控制台上； 所述非接触式位移传感器控制台与计算机相连，测量值通过一个NI数据采集卡导入计算机并用Labview软件进行采集；所述红外测温仪探头放置在PLZT陶瓷片附近，测得数据通过计算机的专用软件采集；所述银质导线、数据线可通过所述透明温控罩的空气入口处导出，实现探头与控制器的连接。
本发明采用的PLZT陶瓷组分为PLZT (3/52/48），采用传统氧化物固相法和热压烧结工艺制备PLZT陶瓷，具体如下：将PbO、ZrO2、TiO2和La2O3等原料按特定比例混合，经过球磨、干燥、过筛等工序热压烧结而成。制成的PLZT陶瓷经过打磨抛光并切割成所需要的尺寸，本发明的试件尺寸为15x3x1mm，随后在陶瓷片上下表面镀上透明的ITO电极,PLZT陶瓷试件在电热恒温油浴箱中极化，极化温度低于居里温度（≈300℃），在120℃的硅油中加以1800V/mm的电压极化20分钟。所述PLZT陶瓷试件性能测试主要包括如下步骤： 步骤一：在计算机上设置采样频率和时间；步骤二：调节所述紫外光源的功率以及所述紫光源照射探头与陶瓷片的距离调节，采用紫外光照度计对光照强度进行标定；步骤三：将高阻抗静电计的工作方式设定为‘电压’测量；步骤四：开启紫外光源控制器、高阻抗静电计、红外测温仪、非接触式位移传感器控制台、离心式鼓风机的电源开关，计算机开始记录实验数据；步骤五：待完成设定时间测试后，关闭紫外光源控制器、高阻抗静电计、红外测温仪、非接触式位移传感器控制台、离心式鼓风机的电源开关；步骤六：将高阻抗静电计的工作方式设定为‘电流’测量；步骤七：重复步骤四、五完成全部测试。
实验操作时，0-3极化的PLZT陶瓷试件沿0-1方向（即长度方向，垂直于极化方向）放置，一端固支，一端自由，则PLZT陶瓷相当于悬臂梁。上下表面镀有ITO电极的PLZT试件通过导电银胶与导电银线连接。当PLZT陶瓷试件表面受到波长为365nm的平行紫外光垂直照射时，测量并采集PLZT陶瓷表面温度变化，上下电极之间的光生电压与光生电流以及PLZT陶瓷端部的挠度和轴向位移。
对上述物理量测量之前，要对照射到PLZT陶瓷表面的紫外光光照强度进行调节和标定，光照强度可以通过调节紫外光源的功率以及光源照射探头与陶瓷片的距离调节，采用紫外光照度计(TY10ST-80C)标定。紫外光源的照射头为40x40mm，确保了紫外光能均匀平行照射到陶瓷片表面，在本实验中，陶瓷片被固定在离照射探头2cm的距离，通过光源控制器调节输出功率和紫外光照射时间以及通过脚踏开光控制光生光停。PLZT陶瓷表面温度变化由德国欧普士公司的红外测温仪测量，温度测量范围为-20～350℃，测量精度为±1.5%；上下电极之间的光生电压和光生电流通过美国吉时利公司的Keithley 6517B型静电计进行测量，电流的测量范围为<1fA（包含噪声）~20mA 。电压的测量范围为10µV（可能含有噪声）~200V ；PLZT陶瓷端部的挠度和轴向位移通过日本基恩士公司的LK-GD500型激光位移传感器进行测量，测量范围为-14mm~14mm，其分辨率为0.1um，测量值通过美国NI公司的数据采集卡进行采集。所有的实验仪器均放置在减震平台上并固定好。
将从电极引出的导电银线(银质导线)与237-ALG-2型低噪声三同轴输入电缆连接，测量的数据通过RS-232连接线导入计算机并通过软件采集，端部挠度将通过LK-GD500型激光位移传感器进行测量，测量值通过NI数据采集卡导入计算机并用Labview软件进行采集，采样周期设置为1s，并采集3000s。
在整个实验过程中，0-3极化的PLZT 陶瓷试件分别受到光照强度为50、100、150和200mW/cm2的紫外光照射300s，在光源关闭后利用计算机分别对不同光照强度下的光致特性继续采集1500s。
（1）温度
0-3 极化的PLZT 陶瓷试件表面温度由红外测温仪测量，红外测温仪探头放置在PLZT陶瓷片附近，测得数据通过计算机的专用软件采集，采样周期设为0.5s。
（2）光生电压与光生电流
0-3 极化的PLZT 陶瓷电极两端的光生电压与光生电流均通过Keithley 6517B 型静电计进行测量，将从电极引出的导电银线与237-ALG-2 型低噪声三同轴输入电缆连接，测量的数据通过RS-232连接线导入计算机并通过软件采集，静电计每次只能测量一个电信号，所以光生电压与光生电流不能同时测量，必须在同样条件下分两次测量。
（3）光致形变
PLZT陶瓷试件的端部挠度是由于反常光生伏特效应产生了沿厚度方向变化的非均匀电场和逆压电效应共同作用造成的。端部挠度将通过LK-GD500型激光位移传感器进行测量，测量值通过NI数据采集卡导入计算机并用Labview软件进行采集，采样周期设置为1s，并采集3000s。
本发明利用温度控制实验装置可有效地控制光致伸缩驱动器的温度升高，提高了光致伸缩驱动器的驱动性能，所述温度控制实验装置能实验测量PLZT陶瓷的表面温度、光生电压、光生电流及端部位移和挠度，研究它们随时间的变化趋势和影响因素。
Claims (6)
1.一种光电陶瓷的温度控制实验装置，其特征在于，所述温度控制实验装置包括隔震平台、透明温控罩、离心式鼓风机、PLZT光电试件、紫外光源、温度传感器、位移传感器、静电计和计算机；其中，所述透明温控罩为敞口的箱型结构，所述PLZT光电试件设置在透明温控罩内，并通过离心式鼓风机保持所述透明温控罩内空气流通；
将所述紫外光源朝向透明温控罩并放置于其开口侧，整个透明温控罩及其内部设备放置于所述隔震平台上；
在所述透明温控罩内、外分别采用非接触式的传感探头采集被测PLZT光电试件的温度、位移及电流、电压信息，并发送至计算机。
2.根据权利要求1所述的一种光电陶瓷的温度控制实验装置，其特征在于，在所述透明温控罩的一侧面上部设有一圆孔，所述离心式鼓风机安装在所述圆孔处；在所述透明温控罩内设有PLZT光电试件、紫外光源探头、非接触式位移传感器探头、温度传感器即红外测温仪和用于固定各探头的夹持结构；
所述PLZT光电试件一端固定于隔震平台上，所述PLZT光电试件两电极处涂有导电银胶，用以连接银质导线，导线另一端连接测量光生电压以及光生电流等数据的仪器；
所述紫外光源探头通过其夹持结构安装在PLZT光电试件前方，，通过导线与紫外光源控制器相连；
所述红外测温仪固定通过磁力座安装在隔震平台上，放置在PLZT光电试件附近。
3.根据权利要求2所述的一种光电陶瓷的温度控制实验装置，其特征在于，所述非接触式位移传感器探头设置在PLZT光电试件的正前方，用于测量光电陶瓷自由端的输出位移；非接触式位移传感器探头通过数据线将数据传递到非接触式位移传感器控制台上，位移测量值通过数据采集卡采集并导入计算机。
4.根据权利要求3所述的一种光电陶瓷的温度控制实验装置，其特征在于，在所述隔震平台上设有测试所需的紫外光源控制器、非接触式位移传感器控制台、红外测温仪控制器、计算机和银质导线；各控制装置分别与其对应的检测设备相连，并且与所述计算机相连。
5.一种光电陶瓷的温度控制实验测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：
步骤一：在计算机上设置采样频率和时间；
步骤二：调节紫外光源的功率以及紫光源照射探头与陶瓷片的距离，采用紫外光照度计对光照强度进行标定；
步骤三：将静电计的工作方式设定为‘电压’测量；
步骤四：开启紫外光源控制器、静电计、红外测温仪、非接触式位移传感器控制台、离心式鼓风机的电源开关，计算机开始记录实验数据；
步骤五：待完成设定时间测试后，关闭紫外光源控制器、高阻抗静电计、红外测温仪、非接触式位移传感器控制台、离心式鼓风机的电源开关；
步骤六：将静电计的工作方式设定为‘电流’测量；
步骤七：重复步骤四、五完成全部测试。
6.根据权利要求5所述的一种光电陶瓷的温度控制实验测试方法，其特征在于：所述非接触式位移传感器控制台与计算机相连，测量值通过NI数据采集卡导入计算机进行采集；所述红外测温仪探头放置在PLZT光电试件极化PLZT陶瓷片附近，测得数据通过计算机采集；所述银质导线、数据线通过所述透明温控罩的空气入口处导出，实现探头与控制器的连接。
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