CN105890841B - 一种简易可编程微弱应力施加装置 - Google Patents
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Abstract
一种简易可编程微弱应力施加装置，它涉及传感器件和纳米压电发电机测试技术领域，竖直支架设置在测试平台底座的一端，水平支架的一端与竖直支架连接，高频高灵敏度压力传感器与控制与数据采集电脑连接，控制与数据采集电脑与可编程电流信号发生器连接，可编程电流信号发生器与轻质电感线圈连接，轻质电感线圈与轻质悬挂弹簧连接，永久磁铁设置在磁力升降平台的底部，它运用了手动两级逼近装置结合电磁控制轻质悬浮平台实现了对样品的接触，其操作简单，制造成本低廉，维护简便。
Description
技术领域：
本发明涉及传感器件和纳米压电发电机测试技术领域，具体涉及一种简易可编程微弱应力施加装置。
背景技术：
压力敏感器件，特别是压力传感器、压电发电机，是工业实践中最为常用的电子元件，其被广泛应用于各种工业自控、人工智能传感与能源收集等众多行业。
目前常见的应力施加装置主要有两种：一种是利用步进电机对压敏元件施加应变，通过应力传感器测定在该应变下的应力，从而实现对特定应力的施加；另外一种是以气体或液体为媒介，通过改变气体或液体的压强来实现对敏感器件应力的施加。这两种测试装置的局限性在于：第一种是通过步进电机施加，步进电机的精度最高只能到微米量级，对于测试小形变的压敏元件具有一定的局限性，同时，步进电机只能施加非连续的应力，难于施加高频率的周期性应力；第二种方案虽然能够施加连续的微弱应力，但气体和液体对高频应力的传导具有一定的局限性，这两种方案都难于实现连续动态应力的施加。
压力传感器件、纳米压电发电机等压敏元件工作时的形变通常都在亚微米量级，工业上关心压敏传感器在亚微米形变条件下的伏安特性(或能量输出对于纳米发电机)。压敏传感器的高频特性决定了器件的采样率，压电发电机的频率特性决定了器件的输出功率。压敏传感器对应力的要求取决于其工作原理，而施加于压电发电机的应力则必须是瞬间的，瞬间施加、瞬间释放才能够保证最大的对外输出功率。
因此，寻求一种能够动态编程的微弱应力施加装置，对于检测压敏元件的压力响应、频率响应及功率输出对于压敏元件的开发具有非常重要的意义，特别是可以施加微弱应变/应力的(施加)装置，这对于研究器件的应力敏感特性具有非常重要的意义。
发明内容：
本发明的目的是提供一种简易可编程微弱应力施加装置，它运用了手动两级逼近装置结合电磁控制轻质悬浮平台实现了对样品的接触，其操作简单，制造成本低廉，维护简便。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它包含测试平台底座、竖直支架、水平支架、探针高度粗调旋钮、粗调高度固定螺丝、螺旋直进杆、螺旋直进杆固定螺丝、细调高度锁定螺丝、高频高灵敏度压力传感器、可更换轻质应力施加头、磁力升降平台、轻质悬挂弹簧、轻质电感线圈、过载保护支柱、永久磁铁、可编程电流信号发生器、控制与数据采集电脑；竖直支架设置在测试平台底座的一端，水平支架的一端与竖直支架连接，水平支架的一端设有探针高度粗调旋钮，水平支架的左端设有粗调高度固定螺丝，水平支架的右端设有螺旋直进杆固定螺丝，螺旋直进杆设置在螺旋直进杆固定螺丝的上方，螺旋直进杆固定螺丝的下方设有细调高度锁定螺丝，高频高灵敏度压力传感器设置在细调高度锁定螺丝的下方，高频高灵敏度压力传感器的底部设有可更换轻质应力施加头，高频高灵敏度压力传感器与控制与数据采集电脑连接，控制与数据采集电脑与可编程电流信号发生器连接，可编程电流信号发生器与轻质电感线圈连接，轻质电感线圈与轻质悬挂弹簧连接，轻质悬挂弹簧的外壁设有过载保护支柱，轻质悬挂弹簧、轻质电感线圈、过载保护支柱设置在磁力升降平台内，永久磁铁设置在磁力升降平台的底部。
作为优选，动态可编程应力施加装置包括可编程电流信号发生器、电流控制磁力升降平台。
作为优选，所述的磁力升降平台由四个片状轻质悬挂弹簧悬挂，片状轻质悬挂弹簧保证了磁力升降平台可以具有较大的位移并且在较大的位移下不会发生太大的形变。
本发明中动态应力信号的施加通过在原有平衡电流信号上叠加应力信号电流来实现，应力的调整通过压力传感器监测到的应力信号与预定值进行比较，通过调整系统自动微调电流实现对应力信号的精确调整；靠近装置包括水平支架、螺旋直进装置与电流控制磁力升降平台。
本发明中电流控制磁力升降平台中的电流由连接到可编程电流信号发生器上的电脑控制。
本发明的有益效果：无需手推反复定位，定位精确、简单、快速；整个过程秩序按钮操作即可完成定位、升降、侧移等动作，光电自动定位，精确简单，操控容易；升降采用升降丝杆结构，升降平稳、无间隙、无晃动，不产生模箱和胚料的磕碰引起废品或破损；加长设计，把移模动作纳入设备有效范围内，采用水平行走电机侧移模箱，不需要手工来回推整个设备，节约时间、降低劳动强度、提高精准度。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中磁力升降平台的结构示意图。
具体实施方式：
参看图1和图2，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含测试平台底座1、竖直支架2、水平支架3、探针高度粗调旋钮4、粗调高度固定螺丝5、螺旋直进杆6、螺旋直进杆固定螺丝7、细调高度锁定螺丝8、高频高灵敏度压力传感器9、可更换轻质应力施加头10、磁力升降平台11、轻质悬挂弹簧12、轻质电感线圈13、过载保护支柱14、永久磁铁15、可编程电流信号发生器16、控制与数据采集电脑17；竖直支架2设置在测试平台底座1的一端，水平支架3的一端与竖直支架2连接，水平支架3的一端设有探针高度粗调旋钮4，水平支架3的左端设有粗调高度固定螺丝5，水平支架3的右端设有螺旋直进杆固定螺丝7，螺旋直进杆6设置在螺旋直进杆固定螺丝7的上方，螺旋直进杆固定螺丝7的下方设有细调高度锁定螺丝8，高频高灵敏度压力传感器9设置在细调高度锁定螺丝8的下方，高频高灵敏度压力传感器9的底部设有可更换轻质应力施加头10，高频高灵敏度压力传感器9与控制与数据采集电脑17连接，控制与数据采集电脑17与可编程电流信号发生器16连接，可编程电流信号发生器16与轻质电感线圈13连接，轻质电感线圈13与轻质悬挂弹簧12连接，轻质悬挂弹簧12的外壁设有过载保护支柱14，轻质悬挂弹簧12、轻质电感线圈13、过载保护支柱14设置在磁力升降平台11内，永久磁铁15设置在磁力升降平台11的底部。
动态可编程应力施加装置包括可编程电流信号发生器16、电流控制磁力升降平台11。所述的磁力升降平台11由四个片状轻质悬挂弹簧12悬挂，片状轻质悬挂弹簧12保证了磁力升降平台11可以具有较大的位移并且在较大的位移下不会发生太大的形变。
本具体实施方式中动态应力信号的施加通过在原有平衡电流信号上叠加应力信号电流来实现，应力的调整通过高频高灵敏度压力传感器9监测到的应力信号与预定值进行比较，通过调整系统自动微调电流实现对应力信号的精确调整；靠近装置包括水平支架3、螺旋直进装置与电流控制磁力升降平台。
本具体实施方式中电流控制磁力升降平台中的电流由连接到可编程电流信号发生器16上的控制与数据采集电脑17控制。
本具体实施方式运用了手动两级逼近装置结合电磁控制轻质悬浮平台实现了对样品的接触，其操作简单，制造成本低廉，维护简便。它通过控制磁线圈中的电流对所施加的应力进行调控，不仅可以精确控制、连续变化，而且可以编程，实现特定应力波形的施加。装置中包含了应力修正模块，使所施加的应力波形与设定波形在误差允许范围内基本保持一致。通过轻质磁悬浮平台实现了对高频周期性微弱应力的施加，所施加应力的脉冲频率可以达到10kHz，应力的大小可以从微牛到数百牛。
实施例1
压力传感器动态传感性能的测试，具体操作包括以下步骤：
1、根据待测样品的应力敏感界面为装置更换合适的可更换轻质应力施加头10；
2、将待测传感器放到磁力升降平台11正中间的位置(磁力升降平台11十字刻度线的中央)；
3、调整磁力升降平台11的位置使样品上的待测位置位于更换轻质应力施加头10的正下方；
4、打开高频高灵敏度压力传感器9的开关，开始监控可更换轻质应力施加头10与样品的接触状态；
5、调整探针高度粗调旋钮4，使可更换轻质应力施加头10缓慢接近样品，当可更换轻质应力施加头10与样品的距离在1mm左右时停止靠近，利用粗调高度固定螺丝5将粗调锁定；
6、利用微米螺旋直进杆6缓慢靠近样品直至高频高灵敏度压力传感器9检测到应力信号；
7、通过调整微米螺旋直进杆6和通过轻质电感线圈13的电流强度使待施加应力的最小位置与最大位置均衡地分布在过载保护支柱14中间位置的两侧，利用细调高度锁定螺丝8将细调高度固定。(可以通过磁力升降平台11侧面的观察窗进行判断)；
8、根据欲施加应力的波形结合步骤(7)所获得的最小与最大应力对应的电流值对通过轻质电感线圈13的电流进行初始编程；
9、设定应力波形的误差范围，执行电流程序，系统自动修订电流值，将所施加的应力波形调整到误差允许范围之内；
10、将压力传感器连接到外界测量系统，获得压力传感器对不同应力脉冲波的动态响应规律。
实施例2
纳米压电发电机的性能表征，具体操作步骤如下：
1、根据待测纳米发电机的应力施加界面为装置更换合适的应力施加可更换轻质应力施加头10；
2、将待测发电机放到磁力升降平台11正中间的位置(磁力升降平台11十字刻度线的中央)；
3、调整磁力升降平台11的位置使发电机位于可更换轻质应力施加头10的正下方；
4、打开高频高灵敏度压力传感器9的开关，开始监控可更换轻质应力施加头10与器件的接触状态；
5、调整探针高度粗调旋钮4，使可更换轻质应力施加头10缓慢接近样品，当可更换轻质应力施加头10与样品的距离在1mm左右时停止靠近，利用粗调高度固定螺丝5将粗调锁定；
6、利用微米螺旋直进杆6缓慢靠近样品直至高频高灵敏度压力传感器检测到应力信号；
7、通过调整微米螺旋直进杆6和通过轻质电感线圈13的电流强度使待施加应力的最小位置与最大位置均衡地分布在过载保护支柱14中间位置的两侧，利用细调高度锁定螺丝8将细调高度固定。(可以通过磁力升降平台11侧面的观察窗进行判断)；
8、根据步骤(7)所获得的最小与最大应力对应的电流值对电流进行初始编程，对纳米发电施加矩形应力波；
9、设定应力波形的误差范围，执行电流程序，系统自动修订电流值，将所施加的应力波形调整到误差允许范围之内；
10、将纳米发电机连接到外界测量系统，获得发电机对不同应力脉冲波的动态响应规律:短路电流、开路电压和频率响应。
Claims (2)
1.一种简易可编程微弱应力施加装置，其特征在于它包含测试平台底座、竖直支架、水平支架、探针高度粗调旋钮、粗调高度固定螺丝、螺旋直进杆、螺旋直进杆固定螺丝、细调高度锁定螺丝、高频高灵敏度压力传感器、可更换轻质应力施加头、磁力升降平台、轻质悬挂弹簧、轻质电感线圈、过载保护支柱、永久磁铁、可编程电流信号发生器、控制与数据采集电脑；竖直支架设置在测试平台底座的一端，水平支架的一端与竖直支架连接，水平支架的一端设有探针高度粗调旋钮，水平支架的左端设有粗调高度固定螺丝，水平支架的右端设有螺旋直进杆固定螺丝，螺旋直进杆设置在螺旋直进杆固定螺丝的上方，螺旋直进杆固定螺丝的下方设有细调高度锁定螺丝，高频高灵敏度压力传感器设置在细调高度锁定螺丝的下方，高频高灵敏度压力传感器的底部设有可更换轻质应力施加头，高频高灵敏度压力传感器与控制与数据采集电脑连接，控制与数据采集电脑与可编程电流信号发生器连接，可编程电流信号发生器与轻质电感线圈连接，轻质电感线圈与轻质悬挂弹簧连接，轻质悬挂弹簧的外壁设有过载保护支柱，轻质悬挂弹簧、轻质电感线圈、过载保护支柱设置在磁力升降平台内，永久磁铁设置在磁力升降平台的底部。
2.根据权利要求1所述的一种简易可编程微弱应力施加装置，其特征在于所述的磁力升降平台由四个片状轻质悬挂弹簧悬挂，片状轻质悬挂弹簧保证了磁力升降平台可以具有较大的位移并且在较大的位移下不会发生太大的形变。
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