CN110611026A - 一种压电材料的极化系统及其极化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种压电材料的极化系统及其极化方法，包括机架、极化环境调节模块、压电材料传送模块、数字化综合控制系统；极化环境调节模块设置极化室，极化室内设置有放置压电材料样品的极化载具、极化环境的温度检测与调节系统、绝缘媒质预热与定量供给系统以及多组电极板；压电材料传送模块包括输送极化载具的带传送装置；数字化综合控制系统包括极化电场数字化控制模块、温度数字化控制模块以及与压电材料传送模块上伺服电机电连的传送速度数字化控制模块。极化系统的极化方法使得压电材料进行批量分步极化处理，并实时储存和反馈极化过程参数，实现自动化生产，改善材料极化性能，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料极化技术领域，特别涉及一种压电材料的极化系统及其极化方法。
背景技术
压电材料能够通过机械变形产生电场，也可以通过电场作用产生机械变形，这种固有的机电耦合效应和其特有的传感特性成为了近年来在工程界研究和应用的智能材料之一。压电材料具有响应快，频响范围宽，易裁剪，价格低廉等特点，广泛应用于通讯、电子、土木、机械和航天航空等各个领域。随着科学技术的不断发展，压电材料的应用越来越多样。而面对不同工作环境和工作要求，所需的压电材料结构形状也有所差异。目前，人们应用较多的结构形状为块状、薄膜状和纤维棒状，由于含金属芯压电纤维MPF具有特殊结构，不同于一般压电纤维，制备昂贵，不具有普遍性，因此本发明不考虑MPF的极化。
压电常数是衡量压电材料压电效应强弱的一项重要参数，直接关系到压电传感器输出的灵敏度。为了保证优良的压电性能，压电材料的极化是不可或缺的一道工序。极化工艺影响因素众多，而外部影响因素主要是极化电场，极化温度和极化时间。自发现压电材料以来，需求不断提高，对其压电性能也提出了越来越多的要求。如何更好的控制外部影响因素进行批量化，高效化，均匀化，自动化的极化也成为了一项值得研究的必须技术。
公开号为CN102610741A的发明专利公布了一种压电极化系统及极化方法，包括极化主机，极化油槽，极化夹具等，该系统及方法并不适用市场上应用越来越广的纤维棒状的压电材料极化，其极化夹具也未说明。公开号CN109037432A的发明专利公布了一种压电元件变温极化系统及方法，包括控制组件、极化组件和移动组件，该系统及方法效率过低，自动化程度较低，并不能实现批量生产。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种压电材料的极化系统及其极化方法，本压电材料极化系统结构紧凑、简单，维修维护方便，且极化过程完全可控，旨在实现不同结构形状(块状、薄膜状和纤维棒状等)的压电材料进行批量分步极化，采用程序数字化控制极化温度、极化电场和极化时间，并实时储存和反馈极化过程参数，实现自动化生产，改善材料极化性能，提高工作效率，同时为压电材料极化过程的研究提供实验方法与设备支撑。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种压电材料的极化系统，包括机架、极化环境调节模块、压电材料传送模块和数字化综合控制系统：所述机架包括支撑架、机脚固定或移动装置及导线安装槽；所述极化环境调节模块包括设置有进料口和出料口的极化室，所述极化室内设置有放置压电材料样品的极化载具、调节极化室内极化温度的温度检测与调节系统、向极化载具内流入绝缘媒质的预热与定量供给系统以及使极化样品实现分步极化的多组电极板；所述压电材料传送模块包括输送极化载具的带传送装置，所述带传送装置连接变速箱，所述变速箱连接伺服电机；所述数字化综合控制系统包括与多组电极板电连的极化电场数字化控制模块、与温度检测与调节系统和绝缘媒质预热与定量供给系统上设置的预热保温装置电连的温度数字化控制模块以及与压电材料传送模块上伺服电机电连的传送速度数字化控制模块。
进一步的，所述绝缘媒质预热与定量供给系统包括绝缘媒质装载箱，所述绝缘媒质装载箱下设置有加热绝缘媒质的预热保温装置，所述绝缘媒质装载箱上设置有可使绝缘媒质定量流入到极化载具内的电磁控制流量阀；所述电磁控制流量阀与继电器连接。
进一步的，所述温度检测与调节系统包括设置在极化室侧壁上的热风机及温度传感器。
进一步的，所述数字化综合控制系统包括主机、显示屏、数字化编程操控面板、急停开关和接线端子排组成；所述接线端子排包括连接极化电场数字化控制模块的第一接线端子排、连接温度数字化控制模块的第二接线端子排以及连接传送速度数字化控制模块的第三接线端子排。
进一步的，所述压电材料样品为块状或薄膜状，该所述压电材料样品平铺在极化夹具内。
进一步的，所述压电材料样品为纤维棒状，该所述压电材料样品设置在装配块内，所述装配块设置在极化载具内，所述装配块内设置有多个直径大于压电材料样品横竖均布的排列的通孔，所述压电材料样品设置在通孔内。
进一步的，所述极化载具及装配块材质为耐高温玻璃；所述绝缘媒质为甲基硅油；所述电极板材质均为紫铜。
一种压电材料极化系统的压电材料的极化方法，包括如下步骤：
S1：将多组电极板与第一接线端子排连接；将热风机、温度传感器和预热保温装置与第二接线端子排连接；将伺服电机与第三接线端子排连接；
S2：开启数字化综合控制系统，通过数字化编程操控面板进行编程，控制极化室内环境的温度和绝缘媒质、多组电极板间的电场、伺服电机的转速，实时反馈存储极化电场、极化温度和极化载具通过电场的时间；
S3：将压电材料样品平铺放置极化载具内，再将载有压电材料样品的极化载具通过进料口放置带传动装置上。
S4：开启绝缘媒质预热与定量供给系统的继电器开关，使预热的绝缘媒质通过电磁控制流量阀定量的流入极化载具内，待压电材料样品完全浸没；
S5：开启伺服电机，通过变速箱传动带传动装置，进行压电材料样品的极化；
S6：在出料口收集极化完成的极化载具、压电材料样品及绝缘媒质。
进一步的，步骤S2中极化电场的场强为0.1kv/mm～50kv/mm，多级电极板分别设置相同或不相同的均匀电场，极化温度为20℃～150℃，极化时间为1min～120min；若需设置相同或不同梯度的电场进行分步极化，先将电极板组数按照1～n排列，预先设定第1组电极板电场强度E1和第n组电极板电场强度En，中间第m组电极板电场强度Em则根据公式进行设置：
其中E1为第1组电极板电场强度，En为第n组电极板电场强度，Em为中间第m组电极板电场强度，m为中间任一组电极板的组数，n为最后一组电极板的组数。
进一步，若步骤S3中压电材料样品为纤维棒料时，先将纤维棒放置在装配块内，再将装配块放入到极化载具内。
本发明的有益效果：
1)本发明主要由极化环境调节模块、压电材料传送模块、数字化综合控制系统和机架组成，结构简单，安装方便。充分利用机架和极化室的空间，对外接电线统一集成管理，同时减少了其占地空间，进一步的保障了操作者的安全和工作的环境。
2)本发明旨在针对不同结构形式的压电材料(块状、薄膜状和纤维棒状等)设计了理想的极化系统，将载有压电材料样品的极化载具由带传送装置传送，依此通过相同或不同的匀强电场，对压电材料进行分步极化，提高压电材料的极化均匀性和良品率，改善材料极化性能。
3)本发明通过数字化综合控制系统采用程序数字化控制极化温度、极化电场和极化时间，并能实时储存和反馈极化过程参数，实现自动化批量生产，提高工作效率，也为压电材料极化过程的研究提供实验方法和设备支撑。
附图说明
图1为本发明的压电材料极化系统结构示意图
图2为本发明的极化环境调节模块结构示意图
图3为本发明的压电材料传送模块结构示意图
图4为本发明的数字化综合控制系统结构示意图
图5为本发明中极化载具的主视图
图6为本发明中装配块的主视图
图7为本发明中装配块的剖面图
图中：1、极化环境调节模块；2、压电材料传送模块；3、数字化综合控制系统；4、机架；11、极化室；12、极化载具；13、温度检测与调节系统；14；绝缘媒质预热与定量供给系统；15、电极板；111、进料口；112、出料口；121、压电材料样品；122、装配块；131、热风机；132、温度传感器；141、电磁控制流量阀；142、预热保温装置；143、绝缘媒质装载箱；144、继电器；145、绝缘媒质；21、带传动装置；22、伺服电机；23、变速箱；31、主机；32、显示屏；33、数字化编程操控面板；34、急停开关；35、接线端子排；351、第一接线端子排；352、第二接线端子排；353、第三接线端子排；41、支撑架；42、机脚固定或移动装置；43、导线安装槽。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
如图1-7所示，本发明的具体结构为，一种压电材料的极化系统，包括极化环境调节模块1、压电材料传送模块2、数字化综合控制系统3和机架4；所述极化环境调节模块1包括极化室11、极化载具12、温度检测与调节系统13、绝缘媒质预热与定量供给系统14以及实现分步极化的多组电极板15；所述压电材料传送模块2包括用于传输极化载具12的带传送装置21、伺服电机22，变速箱23；所述的数字化综合控制系统3包括极化电场数字化控制模块、温度数字化控制模块、传送速度数字化控制模块；所述机架4包括支撑架41、机脚固定或移动装置42及导线安装槽43。
如图2所示，所述极化室11开有相对的可封闭式进料口111、出料口112及导线安装槽43；所述温度检测与调节系统13包括热风机131及温度传感器132，所述温度检测与调节系统13、多组电极板15及极化载具12的带传送装置21装置于极化室11内；所述绝缘媒质预热与定量供给系统14包括电磁控制流量阀141、预热保温装置142、绝缘媒质装载箱143和继电器144设置在极化室11的顶部靠进料口111处；预热的绝缘媒质145通过电磁控制流量阀141和继电器144的控制，定量的流入极化载具12中；所述多组电极板15平行对齐设置，单组中的相同两块电极板15正对放置极化室11中构成极化的正负极。
如图4所示，所述数字化综合控制系统3由主机31、显示屏32、数字化编程操控面板33、急停开关34和接线端子排35组成；所述数字化综合控制系统3采用程序数字化控制极化温度、极化电场和极化时间，并进行实时储存和反馈极化过程参数；所述接线端子排35包括连接极化电场数字化控制模块的第一接线端子排351、连接温度数字化控制模块的第二接线端子排352以及连接传送速度数字化控制模块的第三接线端子排353；所述多组电极板15与第一接线端子排351连接，得到相同或不同的匀强电场；所述热风机131、温度传感器132和预热保温装置142连接至第二接线端子排352，控制极化时的绝缘媒质145和极化室11内环境的温度；所述伺服电机22接入第三接线端子排353，控制伺服电机22转速，实时显示极化载具12通过电场的时间；所述数字化综合控制系统3采用程序数字化控制极化温度、极化电场和极化时间，并进行实时储存和反馈极化过程参数。
如图5～7所示，所述极化载具12内平铺放置压电材料样品121，若压电材料样品121为纤维棒状，先将压电材料样品121放置装配块122中，再将装配块122平置放入极化载具12内，装配块122开有若干个直径略大于纤维棒状样品直径均匀排列分布的通孔；所述载有压电材料样品121的极化载具12由带传送装置21传送，依次通过相同或不同的匀强电场，进行分步极化；如果压电材料样品121为块状或薄膜状等时，则无需固定，直接平铺在极化载具12内即可。
所述极化载具12及装配块122材质为耐高温玻璃；所述绝缘媒质145包括甲基硅油等绝缘效果好的液体媒质；所述极化室11内的物件材质均为耐高温绝缘材料；所述电极板15材质均为紫铜；所述外接电线均通过导线安装槽43进行安装。
本发明的一种压电材料极化系统的极化方法，包括如下步骤：
1)将所述多组电极板15与极化电场数字化控制模块对应的第一接线端子排351连接；将所述热风机131、温度传感器132和预热保温装置142与温度数字化控制模块对应的第二接线端子排352连接；将所述伺服电机22与传送速度数字化控制模块对应的第三接线端子排353连接。
2)开启数字化综合控制系统3，通过数字化编程操控面板33进行编程，控制极化室11内环境的温度和绝缘媒质145、多组电极板15间的电场、伺服电机22的转速，实时反馈存储极化电场、极化温度和极化载具12通过电场的时间，即极化时间；若需设置相同或不同梯度的电场进行分步极化，按极化载具12依次通过的电场顺序进行设置电场强度，该步骤中极化电场的场强为0.1kv/mm～50kv/mm，多组电极板15分别设置相同或不相同的均匀电场，极化温度为20℃～150℃，极化时间为1min～120min。分步极化的电场强度按如下公式设置：
其中：E1为第1组电极板15电场强度，En为第n组电极板15电场强度，Em为中间第m组电极板15电场强度，m为中间任一组电极板15的组数，n为最后一组电极板15的组数。
3)将压电材料样品121平铺放置极化载具12内(若压电材料样品121形状为纤维棒状，先将压电材料样品121放入装配块122中，再将装配块122平置放入极化载具12中)，再将载有压电材料样品121的极化载具12通过进料口111放置带传动装置21上。
4)开启绝缘媒质预热与定量供给系统14的继电器144开关，使预热的绝缘媒质145通过电磁控制流量阀141定量的流入极化载具12内，将压电材料样品121完全浸没。
5)开启伺服电机22，通过变速箱23传动带传动装置21，进行压电材料样品121的极化。
6)在出料口112收集极化完成的极化载具12、压电材料样品121及绝缘媒质145。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种压电材料的极化系统，其特征在于,包括
机架(4)：包括支撑架(41)、机脚固定或移动装置(42)及导线安装槽(43)；
极化环境调节模块(1)：包括设置有进料口(111)和出料口(112)；极化室(11)，所述极化室(11)内设置有放置压电材料样品(121)的极化载具(12)、调节极化室(11)内极化温度的温度检测与调节系统(13)、向极化载具(12)内流入绝缘媒质预热与定量供给系统(14)以及使极化样品实现分步极化的多组电极板(15)；
压电材料传送模块(2)：包括输送极化载具(12)的带传送装置(21)，所述带传送装置(21)连接变速箱(23)，所述变速箱(23)连接伺服电机(22)；
数字化综合控制系统(3)：包括与多组电极板(15)电连的极化电场数字化控制模块、与温度检测与调节系统(13)和绝缘媒质预热与定量供给系统(14)上设置的预热保温装置(142)电连的温度数字化控制模块以及与压电材料传送模块(2)上伺服电机(22)电连的传送速度数字化控制模块；
所述绝缘媒质预热与定量供给系统(14)包括绝缘媒质装载箱(143)，所述绝缘媒质装载箱(143)下设置有加热绝缘媒质(145)的预热保温装置(142)，所述绝缘媒质装载箱(143)上设置有可使绝缘媒质(145)定量流入到极化载具(12)内的电磁控制流量阀(141)；所述电磁控制流量阀(141)与继电器(144)连接。
2.根据权利要求1所述的一种压电材料的极化系统，其特征在于，所述温度检测与调节系统(13)包括设置在极化室(11)侧壁上的热风机(131)及温度传感器(132)。
3.根据权利要求1所述的一种压电材料的极化系统，其特征在于，所述压电材料样品(121)为块状、薄膜状，该所述压电材料样品(121)平铺在极化载具(12)内。
4.根据权利要求1所述的一种压电材料的极化系统，其特征在于，所述压电材料样品(121)为纤维棒状，该所述压电材料样品(121)设置在装配块(122)内，所述装配块(122)设置在极化载具(12)内，所述装配块(122)内设置有多个直径大于压电材料样品(121)横竖均布的排列的通孔，所述压电材料样品(121)设置在通孔内。
5.根据权利要求4所述的一种压电材料的极化系统，其特征在于，所述装配块(122)材质为耐高温玻璃。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种压电材料的极化系统，其特征在于，所述极化载具(12)材质为耐高温玻璃；所述绝缘媒质(145)为甲基硅油；所述电极板(15)材质均为紫铜。
7.根据权利要求1所述的一种压电材料的极化系统的极化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将多组电极板(15)和伺服电机(22)与数字化综合控制系统(3)对应模块连接；
S2：开启数字化综合控制系统(3)，控制极化室(11)内环境的温度和绝缘媒质(145)、多组电极板(15)间的电场、伺服电机(22)的转速，实时反馈存储极化电场、极化温度和极化载具(12)通过电场的时间；
S3：将压电材料样品(121)放置极化载具(12)内，再将载有样品的极化载具(12)通过进料口(111)放置带传动装置(21)上；
S4：开启绝缘媒质预热与定量供给系统(14)的继电器(144)开关，使预热的绝缘媒质(145)通过电磁控制流量阀(141)定量的流入极化载具(12)内，待压电材料样品(121)完全浸没；
S5：开启伺服电机(22)，通过变速箱(23)传动带传动装置(21)，使压电材料样品(121)在相同或不同梯度的电场进行分步极化；
S6：在出料口(112)收集极化完成的极化载具(12)、压电材料样品(121)及绝缘媒质(145)。
8.根据利用权利要求7中所述的压电材料极化系统的压电材料极化方法，其特征在于：步骤S2中多组电极板(15)的极化电场的场强为0.1kv/mm～50kv/mm，多组电极板(15)分别设置相同或不相同的均匀电场，极化温度为20℃～150℃，极化时间为1min～120min。
9.根据利用权利要求7中所述的压电材料极化系统的压电材料极化方法，其特征在于：步骤S5中不同梯度的电场进行分步极化，根据以下公式进行设置：
其中E1为第1组电极板(15)电场强度，En为第n组电极板(15)电场强度，Em为中间第m组电极板(15)电场强度，m为中间任一组电极板(15)的组数，n为最后一组电极板(15)的组数。
10.根据利用权利要求7中所述的压电材料极化系统的压电材料极化方法，其特征在于：步骤S3中压电材料样品(121)为纤维棒料时，先将纤维棒放置在装配块(122)内，再将装配块(122)放入到极化载具(12)内。
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