Merilni sistem za samodejno visokotemperaturno in nizkofrekvenčno karakterizacijo dielektričnih materialov

Piezoelektricni materiali se kot senzorji, aktuatorji in pretvorniki mehanskih signalov v elektricne velicine in obratno uporabljajo v sirokem obmocju industrijskih in znanstvenih podrocij. Trenutno se nekateri najbolj uporabljeni piezoelektricni materiali z visokim piezoelektricnim odzivom depolarizirajo oziroma izgubijo piezoelektricno aktivnost že pri relativno nizkih temperaturah (~ 200 °C), kar onemogoca njihovo uporabo v visokotemperaturnih aplikacijah. Nedavno so razlicni industrijski sektorji izrazili potrebo po uporabi piezoelektricnih materialov z visoko ucinkovitostjo v visjem temperaturnem obmocju (> 200 °C). Pri razvoju takih piezoelektricnih materialov je potreben vpogled v dinamicne elektricne lastnosti, ki jih je mogoce spremljati z meritvami dielektricnega odziva pri nizkih frekvencah (< 1 kHz). Zaradi visokih cen merilnih sistemov, ki omogocajo vpogled v dielektricni odziv pri nizkih frekvencah, poskusamo v magistrskem delu razviti merilni sistem, ki omogoca samodejno visokotemperaturno in nizkofrekvencno dielektricno karakterizacijo materialov v frekvencnem razponu 2 mHz–1 kHz in temperaturnem razponu 25 °C–450 °C. Istocasno mora biti izdelani merilni sistem cenovno ugoden, kvaliteten, omogocati mora vpogled v zahtevane dinamicne dielektricne lastnosti materialov, hkrati pa natancen, fleksibilen in z možnostjo karakterizacije velikega obsega merjenih vzorcev. Na osnovi temeljite preucitve prednosti in slabosti poznanih metod dielektricne spektroskopije smo najprej dolocili primerno metodo nizkofrekvencne dielektricne karakterizacije. V osrednjem delu prikažemo realizacijo merilnega sistema iz obstojecih elektronskih naprav in sestavnih delov. Ob tem pojasnimo princip delovanja posameznih elektronskih naprav in sestavnih delov, njihove prednosti in slabosti ter njihov namen v izdelanem merilnem sistemu. Nadalje predstavimo izdelano programsko opremo, ki v namen samodejne izvedbe dielektricne karakterizacije v odvisnosti od temperature in amplitude ter frekvence vsiljene napetosti upravlja s strojno opremo realiziranega merilnega sistema. Pri tem so predstavljene izvirne resitve, ki omogocajo natancno karakterizacijo dielektricnih materialov kljub nekaterim slabostim uporabljenih elektronskih naprav. Nazadnje predstavimo karakterizacijo in testiranje izdelanega merilnega sistema, s cimer so bile preverjene ustreznost delovanja, kvaliteta izdelave in natancnost ter možne izboljsave izdelanega merilnega sistema. V ta namen je bila izvedena meritev dielektricnih vzorcev pri sobni in povisani temperaturi ter primerjava merilnih rezultatov z referencnim merilnim sistemom in podatki iz strokovne literature. V sklopu tega dela smo pokazali, da so pri karakterizaciji kondenzatorja za profesionalno uporabo z izdelanim merilnim sistemom izmerjene vrednosti faznega zamika (v frekvencnem obmocju 2 mHz–100 Hz) v obmocju vrednosti, ki jo je definiral proizvajalec, in izmerjene vrednosti kapacitivnosti znotraj definirane tolerance kondenzatorja 1 %.