CN109781505A - 一种适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验加载设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验加载方法。本发明的特点在于可完成弹性载荷和电场的同时加载或单独加载。本发明提出的加载系统包括稳压直流电源，信号发生器，驱动电源，电压表，组合夹具，应变仪，计算机。本发明采用导轨和夹具限制驱动器的变形方向，避免驱动器的面外变形；同时利用砝码产生稳定的单向拉力，通过高强度钢丝传递到夹具上，实现对被测驱动器的单向拉伸载荷加载。而在电场控制部分，采用低压信号控制高压信号，安全地实现对驱动电压的控制。该加载方法及装置使用简便，加载可靠，成本低廉，适应性强，适用于各类小型片状压电驱动器或传感器的力电耦合特性试验加载。

Description

一种适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验加载设备和 方法

技术领域

本发明涉及一种适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验加载方法，属于复合材料力学特性试验领域，适用于小型的片状压电驱动器或传感器的力电耦合特性试验加载。

背景技术

压电材料是一种电介质，同时也是一种可变形的弹性体。因此在外力或外加电场的作用下，压电材料不仅能产生机械变形，还将同时发生电极化。此时可能出现的压电效应包含正压电效应及逆压电效应。利用压电材料的这种特性，可以将其制成驱动器、能量收集装置或传感器等。

实验数据提示，压电材料的性能参数与实际的使用条件有一定关系，其压电效应也会随着载荷条件的不同而发生变化。因此使用单一的标称性能参数难以较好地描述压电材料的应变规律和压电效应，无法满足工程结构设计的实际使用需求。因此需要针对性地开展驱动器的力电耦合性能试验，来精确地测定其实际使用性能。

常规材料的力学特性试验手段和设备已经较为完善，有专用的拉伸试验机，操作流程相对成熟。然而这些设备不仅成本高，占用空间大，需要固定的试验场所，还无法同步完成电场的加载。因此这一套加载设备和方法并不适用于压电驱动器的性能试验。此外，压电驱动器本身结构尺寸小，外形的细节特征各有不同，和很难将其制成统一标准的试验样件，使用专用拉伸试验机加载操作难度较大。

因此，针对小型的片状压电驱动器的力电耦合特性试验，需要开发一种使用简便、成本较低，具备一定通用性，能够同时实现弹性载荷和电场加载的加载装置和方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验加载设备，其特征在于包括：

夹持部分，其包括可滑动侧、固定侧、滑动导轨、面包板底座，

拉力加载部分，其包括定滑轮，

电场加载部分，其包括示波器、驱动电源、稳压直流电源、信号发生器，

应变测试部分，其包括应变片、应变测试仪，

其中：

可滑动侧和固定侧用于安装片状压电驱动器，

信号发生器用于产生低压控制信号，

高压电源用于在低压控制信号的驱动下产生电场，该电场被加载到片状压电驱动器上。

根据本发明的另一个方面，提供了基于上述的力电耦合特性试验加载设备的一种适用于片状压电驱动器的力电耦合试验加载方法，其特征在于包括：

A)将片状压电驱动器安装到夹持装置上；

B)使用信号发生器产生低压控制信号，然后再通过低压控制信号驱动高压电源产生电场，用于压电驱动器的电场加载；

C)把一端挂有砝码的钢丝绕过定滑轮，把钢丝的另一端连接到可滑动侧上，从而把单向拉力施加到可滑动侧上，提供片状压电驱动器的外加拉伸载荷。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验的加载设备的配置示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验的加载设备的夹持部分的装配图；

图3是根据本发明的一个实施例的适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验的加载设备的一个实例的现场照片，其中待测的片状压电驱动器被安装到夹持部分上；

图4是根据采用图3的实例获得的测试数据绘制的驱动器应变-拉力曲线。

具体实施方式

本发明的目的，是提供一种小型片状压电驱动器的力电耦合特性试验加载设备和方法，该小型片状压电驱动器能够兼顾试验样品外形复杂性和通用性力电耦合特性试验加载设备和方法具备成本低、安装和使用方便的优点，且无需对小型片状压电驱动器或机载系统本身做改造和再加工。

如图1和图2所示，根据本发明的一个方面，提供了一种适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验的加载设备，其特征在于包括：

夹持部分，其包括可滑动侧(1)、固定侧(4)、滑动导轨(10)、面包板底座(11)，

拉力加载部分，其包括定滑轮(12)和砝码(未显示)，

电场加载部分，其包括示波器(5)、驱动电源(7)、稳压直流电源(8)、信号发生器(9)，

应变测试部分，其包括应变片(3)、应变测试仪(6)，

其中：

可滑动侧(1)和固定侧(4)用于安装片状压电驱动器(2)，

信号发生器(9)用于产生低压控制信号，

高压电源(7)用于在低压控制信号的驱动下产生电场，该电场被加载到片状压电驱动器(2)上。

根据本发明的一个方面，在上述加载设备的基础上：

使用信号发生器(9)产生低压控制信号，然后再通过低压控制信号驱动高压电源(7)产生电场，用于压电驱动器(2)的电场加载；

D)使用砝码产生稳定的单向拉力，然后通过高强度钢丝传递到夹具的可滑动侧(1)上，用于提供压电驱动器(2)的外加拉伸载荷。

本发明的优点包括：

1)夹持部分安装在滑动导轨上，能够限制驱动器的变形方向，避免片状驱动器的失稳弯曲或其他面外变形；

2)夹持部分被安装在面包板基座上，定位准确可靠，安装便利；

3)具备逐级单向增加或减小拉力载荷的能力，拉力加载稳定，用测定拉力代替砝码重力所得拉力数值精确；

4)利用低压电信号控制高压驱动电源，操作安全，驱动电压全程可监控，避免过载电击穿损坏；

5)实用性强，成本较低，存放空间较小，同时能够适用多种外形的片状压电驱动器，无需对待测对象进行二次加工或改变外形特征。

本发明的主要适用范围：应用对象主要为小型片状压电驱动器的力电耦合特性试验，亦可用于片状压电传感器的特性测试。

以下结合附图和实例来说明本发明。

如图1和2所示，本发明的加载设备包括：

夹持部分，其包括可滑动侧(1)、固定侧(4)、滑动导轨(10)、面包板底座(11)，

拉力加载部分，其包括定滑轮(12)和砝码(未显示)，

电场加载部分，其包括示波器(5)、驱动电源(7)、稳压直流电源(8)、信号发生器(9)，

应变测试部分，其包括应变片(3)、应变测试仪(6)，

其中：

带有橡胶垫的可滑动侧(1)和固定侧(4)用于安装片状压电驱动器(2)，

信号发生器(9)用于产生低压控制信号，

高压电源(7)用于在低压控制信号的驱动下产生电场，该电场被加载到片状压电驱动器(2)上。

根据本发明的一个具体实施例，夹具的固定侧(4)通过螺钉安装在面包板底座(2)上，可滑动侧(1)安装在固定到面包板底座(11)的滑动导轨(10)上，如图2所示。

高强度钢丝跨过固定到面包板底座(11)的定滑轮(3)，连接到夹持部分的可滑动侧(1)。

本发明用于具体测试时的详细操作步骤如下：

A)使用前，先将电子测力计(未显示)连接到夹持部分的可滑动侧(1)，然后在钢丝绳的自由下垂端依次增加砝码，重复测定每种质量组合的砝码在夹持部分上产生的拉力，并取平均值。

B)使用时，将待测的压电驱动器(2)粘贴好应变片(3)后，安装到带有橡胶垫的夹持部分上，两端分别固定到夹持部分的可滑动侧(1)和固定侧(4)，如图1、2、3所示。然后将应变片(3)连接到应变测试仪(6)上，应变测试仪(6)连接到测试用计算机(未显示)。压电驱动器(2)的驱动电压接口连接到高压驱动电源(7)上，同时将信号发生器(9)输出端连接到高压驱动电源(7)的控制输入端口。将高压驱动电源(7)的检测信号连接到示波器(5)上。

C)开始测定时，逐个增加钢丝绳下端连接的砝码数量可实现加载到待测片状压电驱动器(2)上的拉力的逐级变化；连续改变信号发生器(9)输出信号的电压即可控制高压驱动电源(7)实现加载到待测压电驱动器(2)上的驱动电场的连续改变。通过应变测试仪(6)和计算机(未显示)可测得压电驱动器(2)的相应应变值。此步骤中使用步骤A获得的实际拉力来表征/校准驱动器所受的拉力。

本发明的一个实例：

测试对象为尺寸为101mm×20mm×0.3mm的M-8514-P1压电驱动器。测试过程中可实现拉力载荷增量最低为4.9N的逐级加载，而驱动电压可实现最低电压增量为20V的逐级加载；根据驱动器标称的最大受载情况，测试中最大拉力载荷可达57.8N，挂载方式仍然有效，夹持部分无脱落，钢丝绳无断裂失效问题；驱动电压最大可达1480V，期间电压逐级变化平稳，驱动器无电击穿破坏。该实例的力电耦合测试结果与理论压电方程吻合较好(如图4所示)，表明该加载方案可行，载荷增加的线性度良好，满足驱动器力电耦合特性测试基本要求。该实例试验加载装置的总制作成本较低，拆装方便便于存放或移动；而通常此类材料力学特性试验的专用试验机体积相对较大，需要固定的试验场所，专门的配套设施和专用试验样件，成本高昂。

图3是显示该测试实例的现场情况的图片，图4是该实例的测试结果曲线。从图4的测试结果曲线中可以看出，应用本发明的加载装置和方法测得的压电驱动器表面应变值随载荷增加呈线性关系，且线性度良好，说明本发明逐级加载有效，测试数据平稳、分散性小，是较为理想的测试结果。

Claims (8)

1.一种适用于片状压电驱动器的力电耦合特性试验加载设备，其特征在于包括：

夹持部分，其包括可滑动侧(1)、固定侧(4)、滑动导轨(10)、面包板底座(11)，

拉力加载部分，其包括定滑轮(12)，

电场加载部分，其包括示波器(5)、驱动电源(7)、稳压直流电源(8)、信号发生器(9)，

应变测试部分，其包括应变片(3)、应变测试仪(6)，

其中：

可滑动侧(1)和固定侧(4)用于安装片状压电驱动器(2)，

信号发生器(9)用于产生低压控制信号，

高压电源(7)用于在低压控制信号的驱动下产生电场，该电场被加载到片状压电驱动器(2)上。

2.根据权利要求1所述的力电耦合特性试验加载设备，其特征在于：

一端挂有砝码的钢丝绕过定滑轮(12)，钢丝的另一端连接到可滑动侧(1)上，从而把单向拉力施加到可滑动侧(1)上，提供片状压电驱动器(2)的外加拉伸载荷。

3.基于根据权利要求1所述的力电耦合特性试验加载设备的一种适用于片状压电驱动器的力电耦合试验加载方法，其特征在于包括：

A)将片状压电驱动器安装到夹持装置上；

B)使用信号发生器产生低压控制信号，然后再通过低压控制信号驱动高压电源产生电场，用于压电驱动器的电场加载；

C)把一端挂有砝码的钢丝绕过定滑轮(12)，把钢丝的另一端连接到可滑动侧(1)上，从而把单向拉力施加到可滑动侧(1)上，提供片状压电驱动器(2)的外加拉伸载荷。

4.根据权利要求3所述的力电耦合试验加载方法，其特征在于：

滑动导轨(10)限制了片状压电驱动器(2)的变形方向，从而避免了片状压电驱动器出现面外变形。

5.根据权利要求3所述的力电耦合试验加载方法，其特征在于：

可滑动侧(1)和固定侧(4)安装在面包板基座上。

6.根据权利要求3所述的力电耦合试验加载方法，其特征在于进一步包括：

把压电驱动器(2)的驱动电压接口连接到高压驱动电源(7)上，同时将信号发生器(9)的输出端连接到高压驱动电源(7)的控制输入端口，

将高压驱动电源(7)的检测信号连接到示波器(5)上，从而实时监控驱动电压。

7.根据权利要求所述的力电耦合试验加载方法，其特征在于：

砝码的顶部和底部均带有挂钩，通过增减砝码实现单向拉力的逐级加载。

8.根据权利要求3所述的力电耦合试验加载方法，其特征在于通过以下方式确定一个质量组合的砝码施加在可滑动侧(1)上的拉力载荷：

将电子测力计连接到夹持部分的可滑动侧(1)，

在钢丝绳的所述一端挂有所述质量组合的砝码时，读取电子测力计的测量读数。