CN107315116B - 一种利用pvdf叠堆薄块的逆压电效应实现对直流电场强度检测的装置 - Google Patents
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Abstract
一种PVDF叠堆薄块直流电场强度检测装置，主要包括支架、激光反射薄膜、表面电极、PVDF叠堆薄块、外罩、滑轨、弹簧、外接导线、滑柱、激光发射与接收装置。支架不同位置分别固定PVDF叠堆薄块与激光发射及接收装置，PVDF叠堆薄块上下表面均喷镀等厚度的表面电极，表面电极上面覆盖一层激光反光薄膜。当有直流电场接入装置的外接导线时，PVDF叠堆薄块在不同电场强度影响下发生不同程度的形变，形变量的大小与电场强度的大小相关。根据激光发射及接收装置测定的加载电场前后的位置变化即可判断直流电场强度的数值。该装置具有结构简单、成本低及不受尺寸限制等优点。
Description
技术领域
本发明涉及直流电场强度检测技术领域，尤其是涉及一种利用PVDF叠堆薄块的逆压电效应来实现对直流电场强度检测的装置。
背景技术
聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride简称PVDF)为有机压电材料，当在其上施加机械应力时，其表面会有极化电荷出现，即表现出正压电效应；反之，当沿着电介质的极化方向施加电场，电介质也会发生形变，这种现象称为逆压电效应。PVDF不仅柔性好、机械强度高、声阻抗易匹配、频响范围宽，而且PVDF能抗化学和油性腐蚀、易于加工成大面积和复杂的形状来使用，以上优良特性为PVDF在检测器件与装置上的应用提供了可能。
外加直流电场是众多实验测试中的必备条件。由于电场是单位距离上的电压，即二者数值可以相互转化。因而以下的叙述中将不对电压、电场进行区分。在有些比较精确的实验中并不能直接把设定的直流电压源的电压(电场)认为是其真正的输出电压(电场)。原因如下：首先直流源自身电压会产生一定程度的衰减；其次由于传输线路中各种器件内阻的存在使得加载在实验部位的电场强度也不等于直流电源电压与电极之间距离的比值。以上原因使得有必要引入相关检测装置对实验中的外加直流电场的数值进行测量。
对于直流电场的检测通常是先测量直流电压而后计算得到电场数值。目前市面上应用较多的直流电压检测装置是指针式万用表与数字式万用表。二者特点如下：指针万用表是一种平均值式仪表，具有直观、形象的读数指示。数字万用表是瞬时取样式仪表，它采用一定时间间隔(一般为0.3秒)取一次样来显示测量结果，每次取样结果十分相近但并不完全相同，从而使得结果读取较指针式万用表复杂。这两种检测装置均会出现测量结果漂移的情形，且装置内部某个器件一旦损坏便只能报废整个装置。此外，以上两种装置内阻的存在使其不能胜任需要精确测量电场的情形。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种直接检测直流电场强度的装置。本发明具有结构简单、成本低、响应速度快、不受尺寸大小限制等优点。
本发明的技术方案如下：
一种检测直流电场强度的装置，包括互相平行的支架和滑柱；支架和滑柱之间通过弹簧连接，滑柱底部置于垂直于支架的滑轨中；
支架上设置垂直于支架的PVDF叠堆薄块，所述PVDF叠堆薄块由若干块PVDF块体依次平行于支架叠堆而成；PVDF叠堆薄块另一端嵌在滑柱上；PVDF叠堆薄块上下表面分别涂覆表面电极薄膜及激光反射薄膜；上下表面电极薄膜分别连接外接导线；
支架顶端延伸出垂直于支架的长杆，其位置可以随测量需求发生变化，长杆上安装激光发射与接收装置，与所述PVDF叠堆薄块上的激光反射薄膜配对使用；
滑柱下端一侧安装激光发射与接收装置，位置固定且在与其相对的支架下端一侧涂覆激光反射薄膜，与该激光发射与接收装置配对使用。
所述PVDF叠堆薄块由若干块PVDF块体P1、P2、P3……Pn依次平行于支架叠堆而成，PVDF叠堆薄块经平行于支架方向极化处理后使用，每个PVDF小块的极化电压方向即电压正负一致但数值可以不同，在70～90℃甲基硅油中极化50～60分钟并随油缓慢冷却至室温，极化场强为100～150V/μm之间，可随小块序号的递增依次增大、减小或相同。
所述表面电极材料为金、铂或导电银浆。
所述外接导线分别位于上、下表面电极端部，作为测量直流电场强度时的接入导线。
所述激光反射薄膜，上下表面均光滑平整。
所述PVDF叠堆薄块两端分别嵌于支架及滑柱上，位置固定。
所述检测直流电场强度的装置位于外罩内部。
所述每个PVDF块体极化方向与外加直流电场强度方向相同，每个PVDF块体同时具有长度即垂直于支架方向及厚度即平行于支架方向的应变，整个装置不受其它外力作用，在外加直流电场时PVDF叠堆薄块在长度方向输出变形量：其中ΔS是变形量，每个PVDF薄块的长、宽及厚度尺寸均为l0，E是外加电场，di是第i个PVDF小块对应的长度方向的压电系数。
本发明有益的技术效果在于：
PVDF叠堆薄块电场强度检测装置的基本工作原理如下：当极化后的PVDF薄块被加载上直流电场时，由于逆压电效应PVDF会发生长度(水平方向，在本装置中是垂直于支架的方向)及厚度(竖直方向，在本装置中是平行于支架的方向)方向的变形，该变形程度与加载电场强度相关。
由于PVDF的变形，激光接收器采集到的与对应激光反射膜间的距离会与未加载电场时的距离有所不同，根据二者的差异即可判断对应的直流电场场强的大小。使用本发明装置的基本测试流程为：首先使装置的支架与外加电场的方向平行，支架不同位置分别固定PVDF叠堆薄块与激光发射及接收装置，PVDF叠堆薄块上下表面均喷镀等厚度的电极，电极上面覆盖一层激光反光薄膜。将待测直流电场分别连接到电极端部引出的导线时，PVDF叠堆薄块在逆压电效应的作用下产生形变，导致激光发射及接收装置测得的与对应激光放射膜间的距离与未加电场时的不同。根据距离差异便可区分出外加电场强度的大小，从而实时监测直流电场强度的大小及保证实验时的外加条件准确。
本发明可以弥补现有测量设备的缺失，但需要注意的是：测试电场不能超过PVDF叠堆的许用范围。因而在测量之初，应该首先选用大量程的电压测试仪表或PVDF叠堆薄块进行初测，了解该直流电场的正负及大致范围，而后根据待测电场的大致范围更换合适的PVDF叠堆进行详细准确测试。此外，由于本装置利用的是PVDF的压电效应，因而测试过程中应该用外接导线的不同接入来保证测试直流电场的方向与PVDF叠堆薄块的预极化方向相同，避免待测直流电场对PVDF叠堆薄块造成反向极化从而影响测试的准确性。
附图说明
图1为本发明PVDF叠堆薄块直流电场强度检测装置实施方式的结构。
图中：1支架，2激光反射薄膜，3表面电极，4PVDF叠堆薄块，5外罩，6滑轨，7弹簧，8外接导线，9滑柱，10激光发射及接收装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
如图1所示，1是支架，2是激光反射薄膜，3是表面电极，4是PVDF叠堆薄块，5是外罩，6是滑轨，7是弹簧，8是外接导线，9是滑柱，10是激光发射及接收装置。
支架1与滑柱9互相平行，它们之间对应位置安装PVDF叠堆薄块4，两组激光发射及接收装置10分别安装在支架1与滑柱9上的不同位置：其中一组激光发射及接收装置10安装在支架1上端延伸出的长杆上，其位置可以随测量需求发生变化，另一组激光发射及接收装置10安装在滑柱9的下端一侧。
PVDF叠堆薄块4由若干块PVDF块体P1、P2、P3……Pn依次叠堆而成，PVDF叠堆薄块4每个块体尺寸相同，均经过沿竖直方向的极化处理。从P1到Pn的极化电压逐渐增大、逐渐减小或相同。
支柱1与滑柱9之间连有一根弹簧7，在支架1下端有与滑柱9上的激光发射及接收装置10相对应的激光反射薄膜2，滑柱9可沿垂直于支架1的滑轨6左右滑移。PVDF叠堆薄块4上下表面均喷镀等厚度的表面电极3，表面电极3上面覆盖一层激光反光薄膜2，与激光发射及接收装置10相对应。激光反射薄膜2尽可能光滑平整以避免激光的散射，整个测试装置位于外罩5内部。上下表面电极3端部为外接导线8。
由上述描述可见，本发明提供了一种利用PVDF叠堆薄块的逆压电效应实现对直流电场强度检测的装置。整个使用过程分为三个阶段：校准、测试及验证。
对待测电场进行正式测试之前，需对该装置进行测试前校准，依此来确认PVDF叠堆薄块4处于水平并刚好嵌入滑柱9与支架1对应位置。具体校准过程如下：将装置竖直放置，即本装置的支架是竖直状态；设水平设方向为x方向，竖直方向为y方向，坐标如图1中所示。滑柱9上激光发射及接收装置10距离支架上激光反射薄膜2距离为x0，支架1伸出的长杆上激光发射及接收装置10距PVDF叠堆薄块4的上激光反射薄膜2距离为y1。加载直流电场前，滑柱9上激光发射及接收装置10测得的距离应为x0；支架1上激光发射及接收装置10测得的距离应为y1。x0与y1作为外加直流电场前评断PVDF叠堆薄块4是否处于水平状态并刚好嵌入滑柱9与支架1对应位置的依据。同时为了后面验证需要这里取三个特殊块体，在加载外加直流电场前将支架1的伸出长杆上的激光发射及接收装置10分别移至选定的三个薄块上端处如P1、Pn/2与Pn(为了装置实施方便，n取偶数)，设其坐标分别为(x1，y1)、(xn/2，yn/2)与(xn，yn)(理论上y1＝yn/2＝yn，横坐标值可通过测量仪器测得，纵坐标值可通过激光发射及接收装置10的直接测量得到)。
完成以上校准过程后加载直流电场进行测试。根据逆压电效应，PVDF叠堆薄块4在x方向的输出形变为：其中l0为PVDF每个小块的初始长度，di为对应滑块的d31压电常数，滑柱9上激光发射及接收装置10测得的距离为与待测直流电压加载前的距离相比，距离的变化量为：根据上述式子，利用加载直流电场前后的激光发射及接收装置10测得的距离差即可算出直流电场强度E的大小。
为了提高测试的准确性，可在正式测量之后对上述测得的直流电场E进行验证。众所周知：当有外加直流电场时，PVDF叠堆薄块在y方向亦发生变形。该变形导致若将支架1伸长杆上的激光发射及接收装置10固定在某处，加载待测直流电场前后激光发射及接收装置10测得的距离发生改变。对于固定在某处的激光发射及接收装置10，距离的改变可以由两种方法获得：(1)直接通过激光发射及接收装置10分别测得电场加载前后的距离；(2)只测量加载电场前的距离，加载电场后的距离利用如下方法计算得到，即将之前水平方向测得的电场值作为已知量，对整个PVDF叠堆块在y方向的位置数据进行拟合后得到该点的位置，从而获得加载电场后的与激光发射及接收装置10的距离。通过这两种不同方法得到的距离改变即可作为前述测得直流电场数值的验证。由于加载电场前的距离均由相同的方法测出，因而该验证可简化为通过对比两种方法得到加载电场后的距离y3(直接测出)和y3’(拟合得到)来验证之前测试是否可信：如果y3与y3’差别超过正常逆压电效应导致的距离差别，则可判断PVDF叠堆已经出现y方向的错动，应当更换；否则则认为之前的关于直流电场的测试有效。利用激光发射及接收装置10可直接获得y3，在此不做赘述。以下来详细介绍y3’的得出。为了测试的简便，选取三个特殊块体，即加载外加直流电场前薄块P1、Pn/2与Pn(为了装置实施方便，n取偶数)，设其坐标分别为(x1，y1)、(xn/2，yn/2)与(xn，yn)。当加载上待测直流电场后，PVDF叠堆薄块中P1，P2，P3……Pn每个薄块的变形情况不同，激光反射薄膜2及表面电极3发生弯曲，此时虽然支架1上激光发射及接收装置10仍能移到对应x1，xn/2及xn处，但下端所对应的块体P1，Pn/2及Pn位置已变动。为了较合理拟合，采用以下方式进行等效代替，设定P1(x1，y1)、Pn/2(xn/2，yn/2)、Pn(xn，yn)位置在加载直流电场后变为P1’(x1，y1’)、Pn/2’(xn/2，yn/2’)及Pn’(xn，yn’)，即对应横坐标相同而纵坐标不同。当外加电场E(该数值即为之前通过水平方向测试得到的电场值)作用后，PVDF叠堆会在x，y方向产生应变。所选取的三个特殊小块在y方向的形变值为(其中每个PVDF薄块的长、宽及厚度尺寸均为l0，i取1、n/2及n，对应的di'等于对应块体的d33压电常数，这里只取三个块体进行计算)，该形变在竖直方向等效果地影响上下表面反光膜的位置，则P1’、Pn/2’及Pn’对应的坐标变为 与外加直流电场作用下PVDF叠堆薄块4上激光反射薄膜2及表面电极3的拟合弯曲曲线方程为：y＝ax2+bx+c，由P1’、Pn/2’及Pn’横坐标及纵坐标数值代入即可算得系数a、b及c，进而得到此拟合方程。在实际应用时，若支架1上激光发射及接收装置10在任一滑块上端只需测得对应的x值，即可根据公式拟合得到y’。将其与直接测得的加载待测电场后的距离y3比较，即可评估之前对于待测电场得到的数值是否可信。
综上所述，在所有的距离及距离变化量中：x0与y1起到校准的目的，x2为反推电场强度需要的距离值，也作为判断外加直流电场强度的根本依据与直接凭证，y3’与y3作为验证该次测试是否可信的依据。ΔS为对应的距离变化量且与外接直流电场强度的大小直接相关。
具体实施例：
在70℃甲基硅油中极化60分钟并随油缓慢冷却至室温，此示例取极化电压强度均为100V/μm(为了简化实施过程，每个PVDF薄块极化电场强度取相同值，不同PVDF薄块的压电常数d31、d33也相同)，其中每个PVDF薄块的长、宽及厚度尺寸均为l0＝200μm，取n＝300，d31＝-30pc/N，d33＝70pc/N，x0与y1根据具体装置尺寸不同而不同，这里取x0＝9cm，y1＝9cm。激光发射及接收装置测的的一系列距离(位置)信息如下：
| 待测物理量 | 实测距离(m) |
| x<sub>0</sub> | 0.09 |
| y<sub>1</sub> | 0.09 |
| x<sub>2</sub> | 0.08991 |
| ΔS | -0.00009 |
可计算得到所加电场强度为50V/μm。
验证过程：
在外加电场前取PVDF叠堆薄块中P1、Pn/2与Pn对应中点坐标为：P1(0.0799，0.09)、Pn/2(0.0499，0.09)、Pn(0.0201，0.09)。外加电场后，设定P1、Pn/2、Pn位置在加载直流电场后变为P1’(x1，y1’)、Pn/2’(xn/2，yn/2’)及Pn’(xn，yn’)，即对应横坐标相同而纵坐标不同。所选取的三个特殊小块在y方向的形变值为(i取1、n/2及n，对应的 di'等于对应块体的d33压电常数，这里只取三个块体进行计算)，因每个PVDF薄块d33相同，故此处带入相关数值，得坐标P1’(0.0799，0.08999965)、Pn/2’(0.0499，0.08999965)及Pn’(0.0201，0.08999965)，拟合弯曲曲线方程为：y＝ax2+bx+c，代入P1’、Pn/2’及Pn’坐标求得：a＝b＝0，c＝0.08999965，即加载电场后PVDF在竖直方向发生了整体的伸长，y3’始终为0.08999965。将伸长杆上的激光发射与接收装置固定在P(0.05,y3)去测量实际加载后的距离y3，得y3＝0.08999964。y3及y3’的数值基本接近，因而可判断此次测试可信。若二者差别超出正常压电效应能够导致的距离差别，则可以断定PVDF叠堆薄块倾斜或者在竖直方向产生了宏观错动，此时需重新安装PVDF叠堆薄块并重复上述过程直至完全正确为止。
Claims (7)
1.一种检测直流电场强度的装置，其特征在于，包括互相平行的支架和滑柱；支架和滑柱之间通过弹簧连接，滑柱底部置于垂直于支架的滑轨中；
支架上设置垂直于支架的PVDF叠堆薄块，所述PVDF叠堆薄块由若干块PVDF块体依次平行于支架叠堆而成；PVDF叠堆薄块另一端嵌在滑柱上；PVDF叠堆薄块上下表面分别涂覆表面电极薄膜及激光反射薄膜；上下表面电极薄膜分别连接外接导线；
支架顶端延伸出垂直于支架的长杆，其位置可以随测量需求发生变化，长杆上安装激光发射与接收装置，与所述PVDF叠堆薄块上的激光反射薄膜配对使用；
滑柱下端一侧安装激光发射与接收装置，位置固定且在与其相对的支架下端一侧涂覆激光反射薄膜，与该激光发射与接收装置配对使用；所述PVDF叠堆薄块由若干块PVDF块体P1、P2、P3……Pn依次平行于支架叠堆而成，PVDF叠堆薄块经平行于支架方向极化处理后使用，每个PVDF小块的极化电压方向即电压正负一致但数值可以不同，在70～90℃甲基硅油中极化50～60分钟并随油缓慢冷却至室温，极化场强为100～150V/μm之间，可随小块序号的递增依次增大、减小或相同。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表面电极材料为金、铂或导电银浆。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外接导线分别位于上、下表面电极端部，作为测量直流电场强度时的接入导线。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光反射薄膜上下表面均光滑平整。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PVDF叠堆薄块两端分别嵌于支架及滑柱上，位置固定。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测直流电场强度的装置位于外罩内部。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述每个PVDF块体极化方向与外加直流电场强度方向相同，每个PVDF块体同时具有长度即垂直于支架方向及厚度即平行于支架方向的应变，整个装置不受其它外力作用，在外加直流电场时PVDF叠堆薄块在长度方向输出变形量：其中ΔS是变形量，每个PVDF薄块的长、宽及厚度尺寸均为l0，E是外加电场，di是第i个PVDF小块对应的长度方向的压电系数。
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| CN102435822A (zh) * | 2011-12-27 | 2012-05-02 | 东南大学 | 一种基于压电陶瓷的电子电压互感装置 |
| CN104020360A (zh) * | 2014-06-27 | 2014-09-03 | 上海交通大学 | 基于支架式光纤光栅的高压电场精确测量方法及装置 |
| CN104049124A (zh) * | 2014-06-27 | 2014-09-17 | 上海交通大学 | 基于非垂直式光纤光栅的高压电场精确测量方法及装置 |
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