CN106441673B - 一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置 - Google Patents

Abstract

一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置，以解决现有压电陶瓷的最大输出力测量方式无法实现压电陶瓷力输出时位移输出为零的问题。预紧螺栓与调节螺纹孔螺纹连接，第二预紧楔块、第一预紧楔块和驱动陶瓷由上至下依次设置在竖孔中，驱动框架设置在调节框架内且位于连接板的前端，锁紧螺栓与锁紧螺纹孔螺纹连接，力传感器设置在调节框架内的底面，测量支撑台设置在力传感器的上面且与力传感器螺纹连接，位移传感器设置在测量支撑台的上面，反射片粘贴在驱动框架的下面，调节框架通过连接螺栓固装在安装平台。该装置可检测零位移输出时激励电压与力输出的关系，相同电压下位移输出与力输出的关系等，用于描述压电陶瓷的力输出特性。

Description

一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷输出力的测量装置，具体涉及一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置。

背景技术

压电陶瓷作为一种具有压电效应的高效换能材料，其制作简单，成本低廉，工作效率高等优点，通常被用作敏感元件制作成高精度传感器使用，或者是被作为驱动元件被封装成各种为微驱动平台。被用于激光陀螺、超声马达、水声通信、涉及航天、生物科技、水声通信等方面。

在针对压电陶瓷的研究中，电压-位移输出曲线和电压-力输出曲线是描述压电陶瓷特性的重要数据。对于压电陶瓷的最大位移输出的测量是很方便的，然而压电陶瓷最大输出力的直接测量却不是很容易实现。这是由于压电陶瓷的力输出特点决定的。压电陶瓷的力输出与位移输出成负相关。在位移输出为零时压电陶瓷的力输出最大，当位移输出最大时，压电陶瓷的力输出为零。由于压电陶瓷的力输出非常大，所以在应用传统的测量方法测量力输出的过程中，压电陶瓷会产生一定的伸长量，使得此时的力输出不是最大的力输出值。这也是压电陶瓷最大输出力测量的难点之一。

现有的测量的方式是通过测量位移输出与对应的力输出的值，通过胡克定律进行计算，间接推算出压电陶瓷在零位移输出时的最大里输出值。这种方法要求压电陶瓷在通电伸长后依然具有与未通电状态时一样的力学特性，依然严格满足胡克定律，同时这种方法也忽略了压电陶瓷在通电后内部带电粒子在电场中的力学特性。在当今压电陶瓷应用越来越广泛，应用精度要求越来越高的情况下，精确的测量压电陶瓷的力输出特性的要求也被广泛提出。

本发明主要针对现有压电陶瓷的最大输出力测量方式的局限性，例如无法实现压电陶瓷力输出时位移输出为零、无法实现测量不同位移输出时的力输出值、不能准确的标定出不同位移输出时的力输出值、依靠胡克定律进行推算所导致的对带电粒子在电场中所受库仑力的忽略等问题。提出了一种主动式测量具有大刚性的压电陶瓷材料力输出特性的装置。

发明内容

本发明为解决现有压电陶瓷的最大输出力测量方式有局限性，无法实现压电陶瓷力输出时位移输出为零，无法实现测量不同位移输出时的力输出值，不能准确的标定出不同位移输出时的力输出值，依靠胡克定律进行推算所导致的对带电粒子在电场中所受库仑力的问题，而提出了一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置。

本发明的一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置，其组成包括宏观调节部件、微位移驱动部件、力测量部件和位移测量部件；

宏观调节部件包括预紧螺栓、调节框架、两个锁紧螺栓、两个连接螺栓和两个定位螺钉，微位移驱动部件包括驱动框架、驱动陶瓷、第一预紧楔块、第二预紧楔块和楔块锁紧螺栓，力测量部件包括测量支撑台和力传感器，位移测量部件包括位移传感器和反射片；

所述调节框架的上横框中心部位设有调节螺纹孔，所述调节框架的左侧竖框上设有两个定位螺纹孔，所述调节框架的后端设有连接板，连接板设有两个锁紧螺纹孔，预紧螺栓与调节螺纹孔螺纹连接；

所述驱动框架上设有竖孔和横孔，横孔位于驱动框架的下端，竖孔垂直设置在横孔的上端，且竖孔与横孔相通，横孔的下底边中部设有凸起，第二预紧楔块、第一预紧楔块和驱动陶瓷由上至下依次设置在竖孔中，第二预紧楔块和第一预紧楔块对应的驱动框架侧壁上设有楔块锁紧螺纹孔，所述驱动框架设置在调节框架内且位于连接板的前端，定位螺钉与定位螺纹孔螺纹连接，驱动框架上设有两个长孔，两个长孔与两个锁紧螺纹孔一一正对，锁紧螺栓与锁紧螺纹孔螺纹连接，力传感器设置在调节框架内的底面，测量支撑台设置在力传感器的上面且与力传感器螺纹连接，位移传感器设置在测量支撑台的上面，反射片粘贴在驱动框架的下面，调节框架通过连接螺栓固装在安装平台。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明通过宏观调节部件与微位移驱动部件的配合，对压电陶瓷所受外界力进行控制。进而实现压电陶瓷输出位移的精确可控，并通过力测量部件测量压电陶瓷相应位移输出(包含零位移输出)时的力输出值，进而实现压电陶瓷位移输出与力输出曲线和电压与最大力输出曲线的标定。

二、由于测量时模拟的是压电陶瓷在不输出位移的情况下的力输出状态，是比较接近真实情况下压电陶瓷的没有位移的情况下力输出的值，因此本发明测量更加准确。

三、本发明是直接通过一定的方式激发出压电陶瓷的最大输出力，并直接用力传感器读出，不需要像通常的测量方式那样要进行推算，就不会引入其他参数如杨氏模量等的误差，结果更加清晰，因此，本发明测量结果更加直接。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是调节框架2的主视图；

图3是驱动框架3的立体图；

图4是驱动框架3的主视图；

图5是本发明的测量方法中步骤一的示意图；

图6是本发明的测量方法中步骤二的示意图；

图7是本发明的测量方法中步骤三的示意图；

图8是本发明的测量方法中步骤四的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式包括宏观调节部件A、微位移驱动部件B、力测量部件C和位移测量部件D；

宏观调节部件A包括预紧螺栓1、调节框架2、两个锁紧螺栓4、两个连接螺栓9和两个定位螺钉13，微位移驱动部件B包括驱动框架3、驱动陶瓷5、第一预紧楔块14、第二预紧楔块15和楔块锁紧螺栓16，力测量部件C包括测量支撑台7和力传感器8，位移测量部件D包括位移传感器11和反射片12；

所述调节框架2的上横框中心部位设有调节螺纹孔2-1所述调节框架2的左侧竖框上设有两个定位螺纹孔2-3，所述调节框架2的后端设有连接板2-4，连接板2-4设有两个锁紧螺纹孔2-5，预紧螺栓1与调节螺纹孔2-1螺纹连接；

所述驱动框架3上设有竖孔3-1和横孔3-2，横孔3-2位于驱动框架3的下端，竖孔3-1垂直设置在横孔3-2的上端，且竖孔3-1与横孔3-2相通，横孔3-2的下底边中部设有凸起3-3，第二预紧楔块15、第一预紧楔块14和驱动陶瓷5由上至下依次设置在竖孔3-1中，第二预紧楔块15和第一预紧楔块14对应的驱动框架3侧壁上设有楔块锁紧螺纹孔3-4，所述驱动框架3设置在调节框架2内且位于连接板2-4的前端，定位螺钉13与定位螺纹孔2-3螺纹连接，驱动框架3上设有两个长孔3-5，两个长孔3-5与两个锁紧螺纹孔2-5一一正对，锁紧螺栓4与锁紧螺纹孔2-5螺纹连接，力传感器8设置在调节框架2内的底面，测量支撑台7设置在力传感器8的上面且与力传感器8螺纹连接，位移传感器11设置在测量支撑台7的上面，反射片12粘贴在驱动框架3的下面，调节框架2通过连接螺栓9固装在安装平台10。

预紧螺栓1的主要作用是实现微位移驱动部件B的向下的移动，为被测压电陶瓷6留出伸长的空间，同时也可实现测量过程中微位移驱动部件B与被测压电陶瓷6的接触。锁紧螺栓4的作用是实现微位移驱动部件B定位后的锁紧，防止通电后宏观调节部件A与微位移驱动部件B的相对滑动。定位螺钉13的作用是在预紧螺栓1调整好微位移驱动部件B的位置后锁紧定位螺钉13，防止在后续拧锁紧螺栓4的过程中微位移驱动部件B滑动。

驱动陶瓷5是整个装置中微观运动的驱动源，通电伸长后使得柔性铰链变形，给被测量的压电陶瓷6施加一个压力，使其回到原长的位置。第一预紧楔块14、第二预紧楔块15的作用是与楔块锁紧螺栓16一起实现驱动陶瓷5在驱动框架3中的预紧安装。楔块预紧螺栓16为防止发生干涉，在框架的另外一侧布置的是一个沉头孔。

测量支撑台7的作用是为位移传感器11的提供安装空间。

位移测量部件D的作用是实时测量压电陶瓷6的伸长量，与微位移驱动部件B的伸长构成一个闭环。

具体实施方式二：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的第二预紧楔块15与第一预紧楔块14颠倒设置。即第二预紧楔块15的楔形窄边位于第一预紧楔块14的楔形宽边一侧，第二预紧楔块15的楔形宽边位于第一预紧楔块14的楔形窄边一侧。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的驱动框架3的下端面设有两个凹槽3-6，两个凹槽3-6对称设置在凸起3-3的两侧，反射片12的一端位于驱动框架3的下端面，反射片12的另一端位于凹槽3-6处。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的调节框架2的下横框中心部位设有安装螺纹孔2-2，力传感器8的下端与螺纹孔2-2螺纹连接。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的测量支撑台7上有一个通孔，位移传感器11插入到通孔中，并用螺钉预紧定位。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

本发明的工作原理：在机器人关节中，电机输出的动力经减速器传到弹性元件的内圈刚体1-1上，内圈刚体1-1是弹性元件的动力输入端口。动力传递到内圈刚体1-1后，经两路传递到外圈刚体1-2上。第一路是经过柔性体1-3传递到外圈刚体1-2上；第二路是经过扇形刚片1-4、扇形橡胶板2、扇形金属连接板3传递到外圈刚体1-2上，由于柔性体1-3和扇形橡胶板2的弹性作用，整个弹性元件在动力传递过程中会产生弹性变形，赋予机器人柔性特性。由于扇形橡胶板2具有粘弹性阻尼作用，在动力传递的过程中会损耗掉部分能量，实现了弹性元件被动减振功能。

本发明的测量方法：如图5～图8所示，其方法包括以下步骤：

步骤一、布置被测压电陶瓷6：将被测压电陶瓷6竖直放置在测量支撑台7上，压电陶瓷6的上端面与微位移驱动部件B下端面之间设有间隙W，其间隙W为1mm～2mm，见图5；

步骤二、被测压电陶瓷6通电自由伸长：给被测压电陶瓷6通入相应的电压，使其在无任何负载的情况下自由伸长，用电容测微仪测出此时的长度，计算出其伸长量，见图6；电容测微仪为市售产品。

步骤三、施加力：通过调整预紧螺栓1使微位移驱动装置框架3的下底面与被测压电陶瓷6的上表面相接处，并通过施加一定的力消除各个部件之间在与力同方向上连接处的间隙。然后锁紧定位螺钉13实现定位，最后拧紧锁紧螺栓4实现驱动框架3的有效固定。然后给驱动陶瓷5通电使其伸长，驱动陶瓷5带动驱动框架3向下移动并与被测压电陶瓷6接触。由于微位移驱动部件B、被测压电陶瓷6以及力传感器8本身有一定刚度，所以在被测压电陶瓷6被压缩的同时力传感器8也相应的被压缩，此时读取位移传感器11的读数，当读数与被测压电陶瓷6初始位置读数相同时，被测压电陶瓷6被压回到零位移输出的位置。见图7；

步骤四、位移控制：使用位移传感器11测量被测压电陶瓷6尺寸的变化。当压电陶瓷6在微位移驱动部件B的作用下恢复到原长时，读出了力传感器8的读数即为压电陶瓷6的最大输出力值。此时由于施加的力进一步变大，力传感器8也被进一步压缩，见图8。

测量时应注意以下内容：

1、被测压电陶瓷6应满足压力测试所需的长径比放置，且被测压电陶瓷6应当竖直放置，防止出现弯矩。

2、粘贴反射片12的时候，应尽量保证与位移传感器11平行，与被测压电陶瓷6上表面平行。

Claims (5)

1.一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置，其特征在于：所述测量装置包括宏观调节部件(A)、微位移驱动部件(B)、力测量部件(C)和位移测量部件(D)；

宏观调节部件(A)包括预紧螺栓(1)、调节框架(2)、两个锁紧螺栓(4)、两个连接螺栓(9)和两个定位螺钉(13)，微位移驱动部件(B)包括驱动框架(3)、驱动陶瓷(5)、第一预紧楔块(14)、第二预紧楔块(15)和楔块锁紧螺栓(16)，力测量部件(C)包括测量支撑台(7)和力传感器(8)，位移测量部件(D)包括位移传感器(11)和反射片(12)；

所述调节框架(2)的上横框中心部位设有调节螺纹孔(2-1)，所述调节框架(2)的左侧竖框上设有两个定位螺纹孔(2-3)，所述调节框架(2)的后端设有连接板(2-4)，连接板(2-4)设有两个锁紧螺纹孔(2-5)，预紧螺栓(1)与调节螺纹孔(2-1)螺纹连接；

所述驱动框架(3)上设有竖孔(3-1)和横孔(3-2)，横孔(3-2)位于驱动框架(3)的下端，竖孔(3-1)垂直设置在横孔(3-2)的上端，且竖孔(3-1)与横孔(3-2)相通，横孔(3-2)的下底边中部设有凸起(3-3)，第二预紧楔块(15)、第一预紧楔块(14)和驱动陶瓷(5)由上至下依次设置在竖孔(3-1)中，第二预紧楔块(15)和第一预紧楔块(14)对应的驱动框架(3)侧壁上设有楔块锁紧螺纹孔(3-4)，所述驱动框架(3)设置在调节框架(2)内且位于连接板(2-4)的前端，定位螺钉(13)与定位螺纹孔(2-3)螺纹连接，驱动框架(3)上设有两个长孔(3-5)，两个长孔(3-5)与两个锁紧螺纹孔(2-5)一一正对，锁紧螺栓(4)与锁紧螺纹孔(2-5)螺纹连接，力传感器(8)设置在调节框架(2)内的底面，测量支撑台(7)设置在力传感器(8)的上面且与力传感器(8)螺纹连接，位移传感器(11)设置在测量支撑台(7)的上面，反射片(12)粘贴在驱动框架(3)的下面，调节框架(2)通过连接螺栓(9)固装在安装平台(10)。

2.根据权利要求1所述的一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置，其特征在于：所述第二预紧楔块(15)与第一预紧楔块(14)颠倒设置。

3.根据权利要求2所述的一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置，其特征在于：所述驱动框架(3)的下端面设有两个凹槽(3-6)，两个凹槽(3-6)对称设置在凸起(3-3)的两侧，反射片(12)的一端位于驱动框架(3)的下端面，反射片(12)的另一端位于凹槽(3-6)处。

4.根据权利要求3所述的一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置，其特征在于：所述调节框架(2)的下横框中心部位设有安装螺纹孔(2-2)，力传感器(8)的下端与安装螺纹孔(2-2)螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的一种主动式压电陶瓷最大输出力测量装置，其特征在于：所述测量支撑台(7)上有一个通孔，位移传感器(11)插入到通孔中。