CN105258629A - 一种多电极含芯压电聚合物放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多电极含芯压电聚合物放大装置，一个悬臂梁的一端设置在绝缘材料制成的底座上，另一端自由悬空成为自由端；在悬臂梁除自由端部分的表面涂有一组对称电极，一个作为正极，一个作为负极，该电极与悬臂梁之间绝缘，且该电极与底座不接触；在自由端未涂布电极的表面上粘贴PVDF纤维，PVDF纤维长度从上到下逐渐变长，沿自由端圆周方向均匀分布。本发明可以实现对微小变形量的精确测量，测量结果的准确性和重复性较好，测量精度和灵敏度较高。
Description
技术领域
本发明属于微小变形测量技术，特别是一种多电极含芯压电聚合物放大装置。
背景技术
人类对微小变形测量技术的探索和研究有着非常悠久的历史。18世纪，Muss-chenbrock通过利用齿轮机构来放大水平放置的长约15cm的试件由几支蜡烛加热产生的微小膨胀量，从而实现对材料热膨胀量的最早测量。1785年，Ramsden首次利用双筒测微望远镜对被测件进行了热膨胀测量。1805年，Lavosier和Laplace第一次将光学杠杆放大技术运用在Muss-chenbrock的测量装置中，提高了测量精度。1887年Callendar和1900年Holborn,Day相继对双筒测微望远镜测量技术进行了不同程度的改进。随后，Fizeau,Reimerdes和Scheel等分别成功地将干涉仪运用在热膨胀量的测量方面，使热膨胀测量技术在高精度方面又上升了一个台阶。1927年，Becker成功将X射线技术应用在测量各向异性晶体材料的热膨胀率方面，这对以后的高温物相研究有很大的帮助作用。1960年，White利用高灵敏度电容技术对低温条件下的试件热膨胀量进行了测量，这在低温热膨胀测量方面是首次案例。
随着社会步入微纳米时代对测量技术的精度要求越来越高。微小变形是当今世界关注的一大热点，准确获取零部件在外部环境因素条件下产生的微变形量，在基础科学研究、实际应用和技术创新等方面有十分显著的重要意义。
微小变形测量在整个工程领域有着十分重要的意义，人类在微变形测量技术的研究上一直没有停下探索的步伐，总结出很多的经验和方法，总体上可分为两大类：一种是相对测量法或间接测量法，即被测件的变形量是以另一种材料的膨胀为基准来测量的；另一种是绝对测量法或直接测量法，即被测件的变形量为直接测量。通常依照工作原理大致可分为机械法、光测法和光电结合法。
机械法就是利用机械装置对被测件的微小变形进行放大后再进行测量，包括光杠杆法，千分表法和顶杆法等。机械法的测试手段比较方便，简单，但它受人为、环境等因素的影响较大，测量结果的准确性和重复性较差。
光测法有普通干涉法、光纤光栅、激光、摄影测量、数字散斑、全息干涉等。光学测试法虽然有很高的测量精度和灵敏度，但待测件要事先进行细加工，而且还必须有成套的仪器和设备配合，不仅实验准备繁琐，而且对试件原有的物理性质可能产生影响，因此有明显的局限性。
光电组合测量就是利用光的非接触测量和电放大的优点，对物体的变形量进行精确测量的方法。有一些特定方法，尽管有很高的测量精度，但也只是对某些特定对象有效，因其测量范围局限不能作为通用的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多电极含芯压电聚合物放大装置，可以将微小变形量放大到可以检测的范围之内，从而可以实现精确测量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种多电极含芯压电聚合物放大装置，一个悬臂梁的一端设置在绝缘材料制成的底座上，另一端自由悬空成为自由端；在悬臂梁除自由端部分的表面涂有一组对称电极，一个作为正极，一个作为负极，该电极与悬臂梁之间绝缘，且该电极与底座不接触；在自由端未涂布电极的表面上粘贴PVDF纤维，PVDF纤维长度从上到下逐渐变长，沿自由端圆周方向均匀分布。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）可以实现对微小变形量的精确测量，即将微小变形量放大到现有技术可以检测的范围之内，将测量出的数据经过电脑分析处理后，呈现的数据就是放大后的数值，最后只要将测得的数据除以该装置放大的倍数就可以精确的测量出真实的微小变形量。（2）测量结果的准确性和重复性较好，测量精度和灵敏度较高，与该装置相配的设备简单和测量范围广。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明多电极含芯压电聚合物放大装置的结构示意图。
图2是本发明的压电聚合物纤维的立体结构示意图。
图3是本发明的压电聚合物纤维的剖面示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明多电极含芯压电聚合物放大装置，一个悬臂梁2的一端设置在绝缘材料制成的底座1上，另一端自由悬空成为自由端；在悬臂梁2除自由端部分的表面涂有一组对称电极3，一个作为正极，一个作为负极，该电极3与悬臂梁2之间绝缘，且该电极与底座1不接触；在自由端未涂布电极的表面上粘贴PVDF纤维4，PVDF纤维4长度从上到下逐渐变长，沿自由端圆周方向均匀分布。
所述悬臂梁2为不导电的压电聚合物纤维。压电聚合物纤维选PVDF（聚偏氟乙烯）。悬臂梁2和PVDF纤维4都是由同种材料制成（聚偏氟乙烯）。该压电聚合物纤维的结构为：中间芯303为钼丝或者钨丝，通过加工制备将PVDF熔化后均匀的裹附在钼丝或者钨丝的表面上，金属芯钼丝或者钨丝被PVDF包裹后，在PVDF的表面涂布电极材料形成一对对称电极301、302。PVDF的表面涂布的电极材料为金属层、导电胶导电银浆或炭黑。以上四种材料中的任意一种材料均可以作为电极使用。一对对称电极的分布为：两个电极中心线夹角为180°，且每个电极的包角为120°。
所述悬臂梁2在自由端留有8-15mm长未涂布电极的距离，其目的是为了粘贴PVDF纤维4。
将电极3涂布在悬臂梁2上，涂覆好的电极3与悬臂梁2一同放在100-120℃的硅油中极化1-2小时，并随硅油冷却至常温。PVDF（聚偏氟乙烯）本身具有一定的压电性，而极化的目的是使悬臂梁2（PVDF）具有更强的压电性。
所述PVDF纤维4为实心，直径为0.02-0.04mm，并与悬臂梁2的自由端垂直。于PVDF纤维4的长度从上到下以0.5mm为公差逐渐增加，最顶端一根PVDF纤维的长度为5mm，最低端一根PVDF纤维的长度为20mm。PVDF纤维4为2-4列垂直粘贴在悬臂梁2的自由端。通过这多列的纤维来测量风的大小以及声音的大小，当风吹过纤维时，悬臂梁发生微妙的弯曲，通过上面的电极将悬臂梁弯曲的程度通过电信号输出，由此可以测量出风速的大小。
将制作好的多电极含芯压电聚合物放大装置固定在设计的夹具上，电极连接到电荷放大器的输入端，将电荷放大器的输出端和数据采集卡链接上，再将数据采集卡链接到电脑上。目的是运用一种压电聚合物器件，在其表面均匀分布一对对称电极，在规定的方向上或任意方向上施加连续性的负载或者冲击负载，能实现将压电聚合物器件产生的电荷通过电荷放大器放大后输出为电压信号。此时对压电聚合物器件施加不同类型的负载，压电聚合物弯曲变形的程度不同，输出的电信号也不同。通过对采集到的数据进行分析，即可得出所加负载的性质。
在自由端粘贴PVDF纤维即接触测量工具，是本发明创造性的使用了PVDF纤维作为接触测量工具。将PVDF纤维紧贴被测物体，当被测物体发生变形时，PVDF纤维也随即产生相应的形变位移，形变的位移量通过压电聚合物纤维的压电性产生电压信号，将采集到的电压信号通过电荷放大器，再次放大之后输出给数据采集卡，最后通过电脑软件对采集的信号分析处理。信号从产生到采集，通过了多电极含芯压电聚合物放大装置和电荷发达器将信号放大，最后只要将测得的形变位移信号以相同的放大倍数缩小，就可得到被测物体的真实变形量。这种测量方式大大的简化了测量装置，并且具有较高的精确性和重复性，测量精度和灵敏度也较高，容易实现自动化测量。
Claims (10)
1.一种多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于一个悬臂梁（2）的一端设置在绝缘材料制成的底座（1）上，另一端自由悬空成为自由端；在悬臂梁（2）除自由端部分的表面涂有一组对称电极（3），一个作为正极，一个作为负极，该电极（3）与悬臂梁（2）之间绝缘，且该电极与底座（1）不接触；在自由端未涂布电极的表面上粘贴PVDF纤维（4），PVDF纤维（4）长度从上到下逐渐变长，沿自由端圆周方向均匀分布。
2.根据权利要求1所述的多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于悬臂梁（2）为不导电的压电聚合物纤维。
3.根据权利要求2所述的多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于压电聚合物纤维的结构为：中间芯（303）为钼丝或者钨丝，通过加工制备将PVDF熔化后均匀的裹附在钼丝或者钨丝的表面上，金属芯钼丝或者钨丝被PVDF包裹后，在PVDF的表面涂布电极材料形成一对对称电极（301、302）。
4.根据权利要求3所述的多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于PVDF的表面涂布的电极材料为金属层、导电胶导电银浆或炭黑。
5.根据权利要求3所述的多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于一对对称电极的分布为：两个电极中心线夹角为180°，且每个电极的包角为120°。
6.根据权利要求1或2所述的多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于悬臂梁（2）在自由端留有8-15mm长未涂布电极的距离。
7.根据权利要求1或2所述的多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于将电极（3）涂布在悬臂梁（2）上，涂覆好的电极（3）与悬臂梁（2）一同放在100-120℃的硅油中极化1-2小时，并随硅油冷却至常温。
8.根据权利要求1所述的多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于PVDF纤维（4）为实心，直径为0.02-0.04mm，并与悬臂梁（2）的自由端垂直。
9.根据权利要求1或8所述的多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于PVDF纤维（4）的长度从上到下以0.5mm为公差逐渐增加，最顶端一根PVDF纤维的长度为5mm，最低端一根PVDF纤维的长度为20mm。
10.根据权利要求1或8所述的多电极含芯压电聚合物放大装置，其特征在于PVDF纤维（4）为2-4列垂直粘贴在悬臂梁（2）的自由端。
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