CN105445568B - 压电薄膜机电特性试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电薄膜机电特性试验装置,包括激振器、第一转接件、夹具、电涡流传感器、压电力传感器、第二转接件、微调位移平台、试验框架、电荷放大器、前置器、金属片、数据采集器和信号发生器。该装置夹具包括拉伸夹具和压缩夹具可实现对压电薄膜不同方向的性能进行试验。通过激振器可实现快速加载，压电力传感器、电涡流传感器分别测量压电薄膜受力和变形量的，通过夹具和电荷放大器可获得压电薄膜表面电压，从而实现动态力的快速加载及压电薄膜所受加载力、变形量及其表面电压的同步测量，实现压电薄膜压电特性与机械特性的同时研究，试验过程简单易操作，高效准确。此外，利用本装置可获得较宽且连续频率范围内压电薄膜的机电特性。

Description

压电薄膜机电特性试验装置

技术领域

本发明涉及压电材料测试领域，具体是一种压电薄膜机电特性试验装置。

背景技术

目前针对压电薄膜在不同载荷和频率范围内机电响应特性问题，研究有以下几种研究手段：一是采用悬臂梁研究其压电特性，通过将压电薄膜和电阻应变片同时黏贴在悬臂梁上，利用激振器当悬臂梁以不同频率振动时，采用电荷放大器与压电薄膜组合而成传感器输出的电压与应变仪和电阻应变片所测得悬臂梁在同一截面位置处动态应变做出比较。然而，由于电阻应变片频响较低，此法只能适用于低频范围内压电薄膜的压电特性研究；并且无法获得压电薄膜的机械特性。二是采用霍普金森压杆(SHPB)技术来研究压电薄膜动态压电特性，可获得压电薄膜的在动态响应下的压电特性。但此法无法获取压电薄膜在连续频率范围的机电特性，也无法用以研究获取材料的机械特性。三是通过万能试验机等研究其机械特性，可获取其准静态载荷下的压电特性，但无法得到材料在不同频率范围内的机械特性。综合现有试验方法，均无法快速有效的同时实现压电薄膜在不同载荷和频率范围内机械特性与压电响应特性的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电薄膜机电特性试验装置，可以实现对0.1Hz～20KHz频率范围内的压电薄膜的粘弹性模量和压电模量的测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种压电薄膜机电特性试验装置，包括激振器、第一转接件、夹具、电涡流传感器、压电力传感器、第二转接件、微调位移平台、试验框架、电荷放大器、前置器、金属片、数据采集器和信号发生器；激振器固定在试验框架底部，激振器与信号发生器连接，第一转接件固定在激振器顶部，夹具包括上夹具和下夹具，下夹具固定在第一转接件上，电涡流传感器设置在金属片上方，金属片固定在下夹具顶部，上夹具顶部设有压电力传感器，压电力传感器顶部设有第二转接件，第二转接件顶部设有微调位移平台，微调位移平台固定在试验框架顶部；压电力传感器与电荷放大器连接，电涡流传感器与前置器连接，电荷放大器和前置器再与数据采集器连接。

上述第一转接件由三个直径不同的圆柱体连接组成，圆柱体半径依次减小，直径最小的圆柱体外壁设有螺纹，直径最大的圆柱体底面均匀分布至少2个腰形通孔，第一转接件通过螺纹固定在激振器上。

上述第二转接件的截面为U型，第二转接件的U型底面中心开有螺纹通孔，压电力传感器设置在第二转接件的U型底面上，其一端穿过第二转接件的螺纹通孔，第二转接件顶部固定在微调位移平台上。

上述夹具为拉伸夹具或压缩夹具。

上述拉伸夹具包括拉伸上夹具和拉伸下夹具，拉伸上夹具包括拉伸上夹具二阶台阶和拉伸上夹具铜片，拉伸上夹具二阶台阶的第一阶台阶底面积大，第二阶台阶底面积小，第二阶台阶的一侧侧壁与第一阶台阶的中心线重合，拉伸上夹具铜片固定在第二阶台阶与第一阶台阶的中心线重合的那侧侧壁，压电力传感器固定在拉伸上夹具二阶台阶的第一阶台阶上；拉伸下夹具包括拉伸下夹具二阶台阶和拉伸下夹具铜片，拉伸上夹具二阶台阶的第一阶台阶底面积大，第二阶台阶底面积小，第二阶台阶的一侧侧壁与第一阶台阶的中心线重合，拉伸下夹具铜片固定在第二阶台阶与第一阶台阶的中心线重合的那侧侧壁；拉伸上夹具二阶台阶的第一阶台阶的中心线与拉伸下夹具二阶台阶的第一阶台阶的中心线重合；拉伸上夹具铜片和拉伸下夹具铜片位于拉伸夹具中垂线两侧，拉伸下夹具的二阶台阶固定在第一转接件上。

上述拉伸上夹具二阶台阶和拉伸下夹具二阶台阶均由PMMA制成。

上述压缩夹具包括压缩上夹具和压缩下夹具，压缩上夹具和压缩下夹具中垂线重合，压缩上夹具包括柱体、钢球和压缩上夹具压块；压缩上夹具压块由两个截面积不同的柱体组成，截面积大的柱体顶面开有球形凹槽，柱体底面开有球形凹槽，钢球设置在柱体和压缩上夹具压块之间，将柱体和压缩上夹具压块隔开，钢球沿柱体和压缩上夹具压块上的凹槽滚动；压缩下夹具包括矩形块和压缩下夹具压块，压缩下夹具压块由三个截面积不同的柱体组成，截面积最大的柱体分别与其他两个柱体连接，截面积小的圆柱体固定在矩形块中心；压电力传感器固定在柱体的顶部中心；压缩下夹具的矩形块固定在第一转接件上。

上述柱体和矩形块均由PMMA制成，柱体为棱柱或圆柱体，压缩上夹具压块和压缩下夹具压块均为铜制。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明压电薄膜机电特性试验装置通过激振器可实现快速加载，通过压电力传感器、电涡流传感器分别测量压电薄膜受力和变形量的，通过夹具和电荷放大器可获得压电薄膜表面电压，从而实现动态力的快速加载及压电薄膜所受加载力、变形量及其表面电压的同步测量，可实现同时研究压电薄膜压电特性与机械特性，试验过程简单易操作，高效准确。

(2)本发明压电薄膜机电特性试验装置包含两套夹具，拉伸夹具和压缩夹具，可实现对压电薄膜材料不同方向的机电特性进行研究。

(3)本装置采用激振器和压电传感器以及电涡流传感器可以获得压电薄膜在较宽频率范围的机电特性。此外，可以获得连续频率范围内稳定的压电薄膜表面产生的电荷、应变和加载力的试验曲线，为压电薄膜机电特性的研究提供了一种新的试验手段。

附图说明

图1是本发明装置的原理示意图。

图2是本发明装置的结构示意图。

图3是第一转接件的结构示意图。

图4是第二转接件的结构示意图。

图5是拉伸夹具的结构示意图。

图6是压缩夹具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

结合图1和图2，本发明为一种压电薄膜机电特性试验装置，包括激振器1、第一转接件2、夹具3、电涡流传感器4、压电力传感器6、第二转接件7、微调位移平台8、试验框架9、电荷放大器10、前置器11、金属片41、数据采集器12和信号发生器13。激振器1固定在试验框架9底部，激振器1通过导线信号发生器13连接，第一转接件2固定在激振器1顶部，夹具3包括上夹具和下夹具，下夹具固定在第一转接件2上，电涡流传感器4通过支架悬空设置在金属片41的上方，金属片41固定在下夹具顶部，上夹具顶部设有压电力传感器6，压电力传感器6顶部设有第二转接件7，第二转接件7顶部设有微调位移平台8，微调位移平台8通过螺纹固定在试验框架9顶部内壁。作为待测件的压电薄膜5固定在上夹具和下夹具之间，压电薄膜5和压电力传感器6均通过导线与电荷放大器10连接，电涡流传感器4通过导线与前置器11连接，电荷放大器10和前置器11通过导线再与数据采集器12连接。

结合图3，第一转接件2由三个直径不同的圆柱体连接组成，圆柱体半径依次减小，直径最小的圆柱体外壁设有螺纹，直径最大的圆柱体底面均匀分布4个腰形通孔，第一转接件2通过螺纹固定在激振器1上。

结合图4，第二转接件7的截面为U型，第二转接件7的U型底面中心开有螺纹通孔，压电力传感器6设置在第二转接件7的U型底面上，其一端穿过第二转接件7的螺纹通孔，第二转接件7顶部固定在微调位移平台8上。

一般情况下压电薄膜5极薄，故在试验过程中保证整套试验装置的对中性和垂直度非常重要，以避免材料扭曲，影响试验效果。下夹具安装在第一转接件2，通过第一转接件2上的腰形通孔可实现水平微调，保证上夹具与下夹具的对中性。通过微调位移平台8(精度达0.01mm)可实现高度微调，此外，微调位移平台8还具有给压电薄膜5施加预紧力的作用。

结合图5，夹具3为拉伸夹具。拉伸夹具包括拉伸上夹具和拉伸下夹具，拉伸上夹具包括由绝缘的聚甲基丙烯酸酯(PMMA)制成的拉伸上夹具二阶台阶31和拉伸上夹具铜片32，拉伸上夹具铜片32为矩形，拉伸上夹具二阶台阶31的第一阶台阶底面积大，沿其中心开有螺纹孔，第二阶台阶底面积小，第二阶台阶的一侧侧壁与第一阶台阶的中心线重合，拉伸上夹具铜片32通过螺栓固定在第二阶台阶与第一阶台阶的中心线重合的那侧侧壁。拉伸下夹具包括拉伸下夹具二阶台阶33和拉伸下夹具铜片34，拉伸下夹具二阶台阶33的第一阶台阶底面积大，第二阶台阶底面积小，第二阶台阶的一侧侧壁与第一阶台阶的中心线重合，拉伸下夹具铜片34通过螺栓固定在第二阶台阶与第一阶台阶的中心线重合的那侧侧壁。拉伸上夹具二阶台阶31的第一阶台阶的中心线与拉伸下夹具二阶台阶33的第一阶台阶的中心线重合。压电力传感器6通过螺栓固定在拉伸上夹具二阶台阶31的第一阶台阶的螺孔中，压电薄膜5两端分别夹在上夹具和下夹具的铜片与二阶台阶之间。拉伸下夹具的二阶台阶33通过螺栓固定在第一转接件2上。本发明设计的拉伸夹具3除了具有夹持压电薄膜的功能，拉伸夹具3中的拉伸上夹具铜片32和拉伸下夹具铜片34还充当引出压电薄膜5表面电荷的电极，故安装时需保证拉伸上夹具铜片32和拉伸下夹具铜片34分别与压电薄膜5的不同两表面接触，并配合PMMA制成的拉伸上夹具二阶台阶31和拉伸下夹具二阶台阶33使用，防止压电薄膜两表面短路。

通过信号发生器13给激振器1输入激励信号，激振器1带动第一转接件2和拉伸下夹具(包括拉伸下夹具二阶台阶33和拉伸下夹具铜片34)振动，压电薄膜5一端夹持在振动的拉伸下夹具之间，一端夹持在固定的上夹具之间，从而实现给压电薄膜5施加动态加载力。压电薄膜5受力表面产生电荷，通过拉伸上夹具铜片32和拉伸下夹具铜片34引出压电薄膜5两表面电荷并输入到电荷放大器10，通过电荷放大器10转换成电压信号，最后通过数据采集器12采集其两表面电压。夹持压电薄膜5一端的拉伸上夹具(包括拉伸上夹具二阶台阶31和拉伸上夹具铜片32)上端与压电力传感器6连接，通过压电力传感器6实现压电薄膜5所受动态力的测量。通过电涡流传感器4测得拉伸下夹具的振动位移，从而获得压电薄膜5的变形量。上述动态力的加载、压电薄膜5所受拉力测量、压电薄膜5表面电压测量以及压电薄膜5变形量的测量均同步实现。通过获得压电薄膜5的所受拉力和其表面电压可以得到其压电模量，实现其压电特性的研究；通过压电薄膜5的所受拉力和其变形量可以得到其粘弹性模量，实现其机械特性的研究。

实施例2

结合图1和图2，本发明为一种压电薄膜机电特性试验装置，包括激振器1、第一转接件2、夹具3、电涡流传感器4、压电力传感器6、第二转接件7、微调位移平台8、试验框架9、电荷放大器10、前置器11、金属片41、数据采集器12和信号发生器14。激振器1固定在试验框架9底部，激振器1通过导线信号发生器13连接，第一转接件2固定在激振器1顶部，夹具3包括上夹具和下夹具，下夹具固定在第一转接件2上，电涡流传感器4设置在金属片41上方，金属片41固定在下夹具顶部，上夹具顶部设有压电力传感器6，压电力传感器6顶部设有第二转接件7，第二转接件7顶部设有微调位移平台8，微调位移平台8固定在试验框架9顶部内壁。作为待测件的压电薄膜5固定在上夹具和下夹具之间，压电薄膜5和压电力传感器6均通过导线与电荷放大器10连接，电涡流传感器4通过导线与前置器11连接，电荷放大器10和前置器11通过导线再与数据采集器12连接。

第一转接件2由三个直径不同的圆柱体连接组成，圆柱体半径依次减小，直径最小的圆柱体外壁设有螺纹，直径最大的圆柱体底面均匀分布2个腰形通孔。第一转接件2通过螺纹固定在激振器1上。

第二转接件7的横截面为U型，第二转接件7的U型底面中心开有螺纹通孔，压电力传感器6设置在第二转接件7的U型底面上，其一端穿过第二转接件7的螺纹通孔，第二转接件7顶部固定在微调位移平台8上。

一般情况下压电薄膜5极薄，故在试验过程中保证整套试验装置的对中性和垂直度非常重要，以避免材料扭曲，影响试验效果。下夹具安装在第一转接件2，通过第一转接件2上的腰形通孔可实现水平微调，保证上夹具与下夹具的对中性。通过微调位移平台8(精度达0.01mm)可实现高度微调，此外，微调位移平台8还具有给压电薄膜5施加预紧力的作用。

结合图6，夹具3为压缩夹具，压缩夹具包括压缩上夹具和压缩下夹具，压缩上夹具和压缩下夹具中垂线重合，压缩上夹具由绝缘的聚甲基丙烯酸酯(PMMA)制成的柱体35、钢球36和压缩上夹具压块37组成。理论上柱体35是多棱柱和圆柱均可，本发明采用圆柱体。压缩上夹具压块37由两个截面积不同的柱体组成，截面积大的柱体顶面开有球形凹槽，柱体35底面开有球形凹槽，钢球36设置在柱体35和压缩上夹具压块37之间，将柱体35和压缩上夹具压块37隔开，钢球36沿柱体35和压缩上夹具压块37上的凹槽滚动。压缩下夹具包括PMMA制成的矩形块39和压缩下夹具压块38，压缩下夹具压块38由三个截面积不同的柱体组成，截面积最大的柱体分别与其他两个柱体连接，截面积小的圆柱体外壁设有螺纹，通过螺纹固定在矩形块39中心。压电力传感器6通过螺柱固定在柱体35的顶部中心。压电薄膜5设置在压缩上夹具压块37截面积小的柱体与压缩下夹具压块38截面小的未开有螺纹的柱体之间。压缩下夹具的矩形块39通过螺纹固定在第一转接件2上。压缩上夹具压块37和压缩下夹具压块38均为铜制，本发明设计的压缩夹具除了具有夹持压电薄膜5的功能，压缩上夹具压块37和压缩下夹具压块38还充当引出压电薄膜5表面电荷的电极。此外，柱体35和压缩上夹具压块37之间的钢球36可实现装置的自调节作用，保证实验过程中材料受力均匀的作用。

通过信号发生器13给激振器1输入激励信号，激振器1带动第一转接件2和压缩下夹具(包括矩形块39和压缩下夹具压块38)振动，压电薄膜5夹持在在压缩上夹具压块37和压缩下夹具压块38之间，从而实现给压电薄膜5施加动态加载力。压电薄膜5受力表面产生电荷，通过压缩上夹具压块37和压缩下夹具压块38引出压电薄膜5两表面电荷并输入到电荷放大器10，通过电荷放大器10转换成电压信号，最后通过数据采集器12采集其两表面电压。与压电薄膜5上表面接触的压缩上夹具(包括柱体35、钢球36和压缩上夹具压块37)上端与压电力传感器6连接，通过压电力传感器6实现压电薄膜5所受动态力的测量。通过电涡流传感器4测得压缩下夹具的振动位移，从而获得压电薄膜5的变形量。上述动态力的加载、压电薄膜5所受压力测量、压电薄膜5表面电压测量以及压电薄膜5变形量的测量均同步实现。通过获得压电薄膜5的所受压力和其表面电压可以得到其压电模量，实现其压电特性的研究；通过压电薄膜5的所受压力和其变形量可以得到其粘弹性模量，实现其机械特性的研究。

利用本发明可实现动态力的快速加载及压电薄膜5所受加载力、变形量及其表面电压的同步测量，从而实现压电薄膜5的压电特性和机械特性的同时研究。试验过程简单，可快速高效准确地获得较宽且连续频率范围内稳定的压电薄膜5表面产生的电荷、应变、加载力的试验曲线。本发明装置设有两套夹具包括拉伸夹具和压缩夹具，可适用于压电薄膜5不同方向的机电特性试验。此外通过控制信号发生器13给激振器1输入正弦扫频信号，可以获得较宽(0.1HZ～20KHz)且连续的频率范围内压电薄膜5的机电特性。

Claims (8)

1.一种压电薄膜机电特性试验装置，其特征在于：包括激振器（1）、第一转接件（2）、夹具（3）、电涡流传感器（4）、压电力传感器（6）、第二转接件（7）、微调位移平台（8）、试验框架（9）、电荷放大器（10）、前置器（11）、金属片（41）、数据采集器（12）和信号发生器（13）；激振器（1）固定在试验框架（9）底部，激振器（1）与信号发生器（13）连接，第一转接件（2）固定在激振器（1）顶部，夹具（3）包括上夹具和下夹具，下夹具固定在第一转接件（2）上，电涡流传感器（4）设置在金属片（41）上方，金属片（41）固定在下夹具顶部，上夹具顶部设有压电力传感器（6），压电力传感器（6）顶部设有第二转接件（7），第二转接件（7）顶部设有微调位移平台（8），微调位移平台（8）固定在试验框架（9）顶部；压电力传感器（6）与电荷放大器（10）连接，电涡流传感器（4）与前置器（11）连接，电荷放大器（10）和前置器（11）再与数据采集器（12）连接，作为待测件的压电薄膜（5）固定在上夹具和下夹具之间，压电薄膜（5）和压电力传感器（6）均通过导线与电荷放大器（10）连接。

2.根据权利要求1所述的压电薄膜机电特性试验装置，其特征在于：上述第一转接件（2）由三个直径不同的圆柱体连接组成，圆柱体半径依次减小，直径最小的圆柱体外壁设有螺纹，直径最大的圆柱体底面均匀分布至少2个腰形通孔，第一转接件（2）通过螺纹固定在激振器（1）上。

3.根据权利要求1所述的压电薄膜机电特性试验装置，其特征在于：上述第二转接件（7）的截面为U型，第二转接件（7）的U型底面中心开有螺纹通孔，压电力传感器（6）设置在第二转接件（7）的U型底面上，其一端穿过第二转接件（7）的螺纹通孔，第二转接件（7）顶部固定在微调位移平台（8）上。

4.根据权利要求1所述的压电薄膜机电特性试验装置，其特征在于：上述夹具(3)为拉伸夹具或压缩夹具。

5.根据权利要求4所述的压电薄膜机电特性试验装置，其特征在于：上述拉伸夹具包括拉伸上夹具和拉伸下夹具，拉伸上夹具包括拉伸上夹具二阶台阶（31）和拉伸上夹具铜片（32），拉伸上夹具二阶台阶（31）的第一阶台阶底面积大，第二阶台阶底面积小，第二阶台阶的一侧侧壁与第一阶台阶的中心线重合，拉伸上夹具铜片（32）固定在第二阶台阶与第一阶台阶的中心线重合的那侧侧壁，压电力传感器（6）固定在拉伸上夹具二阶台阶（31）的第一阶台阶上；拉伸下夹具包括拉伸下夹具二阶台阶（33）和拉伸下夹具铜片（34），拉伸上夹具二阶台阶（33）的第一阶台阶底面积大，第二阶台阶底面积小，第二阶台阶的一侧侧壁与第一阶台阶的中心线重合，拉伸下夹具铜片（34）固定在第二阶台阶与第一阶台阶的中心线重合的那侧侧壁；拉伸上夹具二阶台阶（31）的第一阶台阶的中心线与拉伸下夹具二阶台阶（33）的第一阶台阶的中心线重合；拉伸上夹具铜片（32）和拉伸下夹具铜片（34）位于拉伸夹具中垂线两侧，拉伸下夹具的二阶台阶（33）固定在第一转接件（2）上。

6.根据权利要求5所述的压电薄膜机电特性试验装置，其特征在于：上述拉伸上夹具二阶台阶（31）和拉伸下夹具二阶台阶（33）均由PMMA制成。

7.根据权利要求4所述的压电薄膜机电特性试验装置，其特征在于：上述压缩夹具包括压缩上夹具和压缩下夹具，压缩上夹具和压缩下夹具中垂线重合，压缩上夹具包括柱体（35）、钢球（36）和压缩上夹具压块（37）；压缩上夹具压块（37）由两个截面积不同的柱体组成，截面积大的柱体顶面开有球形凹槽，柱体（35）底面开有球形凹槽，钢球（36）设置在柱体（35）和压缩上夹具压块（37）之间，将柱体（35）和压缩上夹具压块（37）隔开，钢球（36）沿柱体（35）和压缩上夹具压块（37）上的凹槽滚动；压缩下夹具包括矩形块（39）和压缩下夹具压块（38），压缩下夹具压块（38）由三个截面积不同的柱体组成，截面积最大的柱体分别与其他两个柱体连接，截面积小的圆柱体固定在矩形块（39）中心；压电力传感器（6）固定在柱体（35）的顶部中心；压缩下夹具的矩形块（39）固定在第一转接件（2）上。

8.根据权利要求7所述的压电薄膜机电特性试验装置，其特征在于：上述柱体（35）和矩形块（39）均由PMMA制成，柱体（35）为棱柱或圆柱体，压缩上夹具压块（37）和压缩下夹具压块（38）均为铜制。