CN112415288A - 测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，包括气路管线、屏蔽电缆、通过气路管线相互连接的高压气源和测试容器以及通过屏蔽电缆与测试容器连接的检测单元，所述的测试容器包括与气路管线连通的压力釜和设置于压力釜上与屏蔽电缆连接的采集模块，所述的同轴压电电缆设置于压力釜内且与采集模块连接，所述的高压气源用于向压力釜充气施压，所述的检测单元用于获取采集模块采集到的数据，与现有技术相比，本发明具有结构简单、操作方便等优点。

Description

测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及传感器性能测试领域，尤其是涉及一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统及其测量方法。

背景技术

随着柔性传感器技术和无线通信技术的迅速发展，催生了智能化、具有良好的柔韧性、延展性，可穿戴式传感器系统的发展。同轴压电电缆作为一种柔性传感器，在人工智能机器人、工业设备、医疗器械等领域有着广泛的应用前景，产生了深远影响。随着同轴压电电缆的应用不断扩展，对同轴压电电缆的基本性能参数提出了“具体化”和“精确化”的要求，其中最重要的性能参数为静水压压电系数(d_3h)。

目前，国内还没有有效针对同轴压电电缆静水压压电系数的权威测量系统和实际测量方法。国外对该类传感器静水压压电系数测试方法也比较少，通常将同轴压电电缆置入水中，利用水压对同轴压电电缆表面施加压力，这样的方法使得同轴压电电缆表面压强并不能保证处处相等，并且测试装置复杂，不仅要考虑水环境对同轴压电电缆压电性能的影响，还需考虑在加压过程中，同轴压电电缆对容器的密封性产生的不利影响。为了保证水环境不影响同轴压电电缆的压电性能，需要将同轴压电电缆整体穿过密封盛满水的容器，将同轴压电电缆与外电路相连的两个电极，置于盛满水的高压容器外；同时还要保证在施加压力的过程中，盛满水的容器不会泄露，这样就使得整个实验装置复杂，不易操作。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、操作方便、成本低廉的测量同轴压电电缆静水压压电系数(d_3h)的系统及其测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，包括气路管线、屏蔽电缆、通过气路管线相互连接的高压气源和测试容器以及通过屏蔽电缆与测试容器连接的检测单元，所述的测试容器包括与气路管线连通的压力釜和设置于压力釜上与屏蔽电缆连接的采集模块，所述的同轴压电电缆设置于压力釜内且与采集模块连接，所述的高压气源用于向压力釜充气施压，所述的检测单元用于获取采集模块采集到的数据。

进一步地，所述的采集模块包括第一电极、第二电极、压力表和微电流计，所述的第一电极和第二电极分别穿设于压力釜的釜盖上，且与压力釜釜盖之间形成密封结构，其一端与屏蔽电缆连接，另一端与同轴压电电缆连接，所述的压力表用于测量压力釜内部的压力，所述的微电流计通过屏蔽电缆与分别与第一电极和第二电极。

进一步地，所述的第一电极和第二电极外表面开设螺纹，与压力釜的釜盖通过螺纹连接，所述的采集模块还包括密封组件，所述的密封组件包括设置于高压釜釜盖被电极穿过部分的聚四氟乙烯垫片，以及与聚四氟乙烯垫片配合使用的不锈钢垫片和螺栓。

进一步优选地，所述的第一电极和第二电极之间的距离大于5cm，两根电极距离较远，可以避免旁路电容对输出电荷的影响。

进一步优选地，所述的第一电极和第二电极的长度不同，可以增加测量的同轴压电电缆长度范围，便于放置较长同轴压电电缆。

进一步地，所述的高压气源包括压缩氮气瓶和减压阀，所述的气路管线包括进口管线和出口管线，所述的进口管线上设置进气阀，所述的出口管线上设置排气阀，所述的压缩氮气瓶与气路管线连接。

进一步优选地，所述的第一电极和第二电极的材料采用包括铝、银、铜、金、石墨、石墨烯和/或不锈钢。

进一步优选地，所述的压力釜为不锈钢压力釜，容积为500ml，所述的压力表的量程为0-3Mpa，一方面3Mpa压力足以满足测试同轴压电电缆的要求，另一方面压强较小，压力釜釜体容积较小，在加压过程中釜内温度变化微小，可以忽略不计，避免了温度对同轴压电电缆的影响。

一种如所述的测量同轴压电电缆静水压压电系数系统的测量方法，包括以下步骤：

S1：测量待测同轴压电电缆的长度和直径，并计算其表面面积；

S2：剥除同轴压电电缆护套层，露出同轴压电电缆的芯电极和屏蔽电极；

S3：将同轴压电电缆的芯电极和屏蔽电极分别与采集模块连接，并将同轴压电电缆放置于压力釜内；

S4：高压气源向压力釜充气施压直至达到设定值；

S5：缓慢释放压力釜内气体，进行压力卸载；

S6：测量同轴压电电缆在压力釜内压力卸载过程中产生的电荷变化量ΔQ，并记录压力釜内压力变化量ΔP；

S7：根据电荷变化量ΔQ和压力变化量ΔP计算得到同轴压电电缆静水压压电系数d_3h。

其中，所述的步骤S7中的计算公式为：

其中，d_3h为同轴压电电缆静水压压电系数，其单位为pC/N，ΔQ为压力卸载过程中产生的电荷变化量，其单位为pC，ΔP为压力釜内压力变化量，其单位为Mpa，A为同轴压电电缆表面面积，其单位为mm²。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明提供了一种科学合理的测量压电电缆静水压压电系数的方法，由于压力釜容器容积较小，且釜内利用气体对压电电缆表面施加压力，使得压电电缆表面压强处处相等，系统结构简单，测量方法易懂、科学、安全，弥补了国内对压电电缆静水压压电系数的测量领域的空白；

2)本发明操作简单方便，成本低廉，各部件均较为常见，便于维修和进一步功能扩展，适用于实际的压电电缆静水压压电系数测量，实用性高。

附图说明

图1为实施例中本发明的结构示意图。

其中，1、压缩氮气瓶，2、减压阀，3、进气阀，4、排气阀，5、密封组件，6、气路管线，7、压力釜，8、第一电极，9、第二电极2，10、同轴压电电缆，11、压力表，12、屏蔽电缆，13、测量计算单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，包括气路管线6、屏蔽电缆12、通过气路管线6相互连接的高压气源和测试容器以及通过屏蔽电缆12与测试容器连接的测量计算单元13，检测单元13用于获取采集模块采集到的数据。

高压气源包括高压氮气瓶1和减压阀，为压力釜7充气施加压力，提供0～3Mpa的氮气，对同轴压电电缆10表面产生一定的压力，气路管线6包括进口管线和出口管线，进口管线上设置进气阀3，出口管线上设置排气阀4，压缩氮气瓶1与气路管线6连接，减压阀2和进气阀3之间的气路管线6由减压阀接头、管壁厚0.5mm直径3mm的不锈钢气路管以及不锈钢卡套内丝转接头组成，该管线具有方便、快捷、耐压、安全的优点。减压阀接头和不锈钢卡套内丝转接头型号由减压阀2和进气阀3以及不锈钢气路管尺寸决定，本实施例中，减压阀接头选择不锈钢3mm卡套和M16*1.5螺帽，不锈钢卡套转接头选择M14*1.5内丝转3mm卡套。

测试容器包括与气路管线6连通的压力釜7和设置于压力釜7上与屏蔽电缆12连接的采集模块，同轴压电电缆设置于压力釜7内，采集模块包括密封组件5、第一电极8、第二电极9、压力表11和微电流计，第一电极8和第二电极9外表面开设螺纹，分别通过螺纹穿设于压力釜7的釜盖上，且通过密封组件5与压力釜7釜盖之间形成密封结构，密封组件5包括设置于高压釜7釜盖被电极穿过部分的聚四氟乙烯垫片，以及与聚四氟乙烯垫片配合使用的不锈钢垫片和螺栓，第一电极8和第二电极9与压力釜7釜体接触部位通过聚四氟乙烯垫片及其附属的不锈钢垫片和螺栓实现密封。

微电流计设置于测量计算单元13内，并与测量计算单元13连接，本实施例中，微电流计采用型号为Keithley 6514，第一电极8的第二电极9一端通过屏蔽电缆12与微电流计连接，另一端与同轴压电电缆10连接，第一电极8的第二电极9为不锈钢电极，两者长短不同且距离较远，相距大于5cm，一方面可以避免旁路电容对输出电荷的影响，另一方面可以增加测量的压电电缆长度范围。

第一电极8和第二电极9的材料采用包括铝、银、铜、金、石墨、石墨烯和/或不锈钢。

压力表11用于测量压力釜7内部的压力，压力釜7材质选择耐压较高的304不锈钢，容积约为500ml，压力表11的量程为0-3Mpa，一方面3Mpa压力足以满足测试压电电缆的要求，另一方面压强较小，压力釜7釜体容积较小，在加压过程中釜内温度变化微小，可以忽略不计，避免了温度对压电电缆的影响。

本发明还提供一种使用上述系统测量同轴压电电缆静水压压电系数的方法，本实施例中，以具体某同轴压电电缆10为例进行测量的过程如下：

1、首先截取一段同轴压电电缆10，测量其长度为67mm，直径为2.03mm，求出同轴压电电缆10的表面面积A为427.07mm²；

2、小心剥除同轴压电电缆10护套层，露出同轴压电电缆10的芯电极和屏蔽电极，剥除过程中需要小心芯电极和屏蔽电极导通，然后将同轴压电电缆10的芯电极和屏蔽电极分别连在压力釜7内的第一电极8和第二电极9上，最后将同轴压电电缆10放置在压力釜7内部；

3、打开压缩氮气瓶1的阀门，旋紧减压阀2，释放氮气，利用压力釜7连接的进气阀3和出气阀4对釜内压力进行调节，本实施例中，调节釜内压力为0.1Mpa，保压5min，然后缓慢打开出气阀4，缓慢释放釜内氮气；

4、打开出气阀4的同时，利用微电流计测量同轴压电电缆10在压力釜7内压力卸载过程中产生的电荷变化量ΔQ，电荷变化量ΔQ在该某压力下测量三次，取三次对应的平均值为2302.89pC，利用测量计算单元13内的计算机记录釜内压力变化量为0.1Mpa；

5、最后，通过公式求得所测样品的静水压压电系数(d_3h)为53.61pC/N。

计算公式为：

其中，d_3h为同轴压电电缆静水压压电系数，其单位为pC/N，ΔQ为压力卸载过程中产生的电荷变化量，其单位为pC，ΔP为压力釜内压力变化量，其单位为Mpa，A为同轴压电电缆表面面积，其单位为mm²。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，其特征在于，包括气路管线(6)、屏蔽电缆(12)、通过气路管线(6)相互连接的高压气源和测试容器以及通过屏蔽电缆(12)与测试容器连接的测量计算单元(13)，所述的测试容器包括与气路管线(6)连通的压力釜(7)和设置于压力釜(7)上与屏蔽电缆(12)连接的采集模块，所述的同轴压电电缆设置于压力釜(7)内且与采集模块连接，所述的高压气源用于向压力釜(7)充气施压，所述的检测单元(13)用于获取采集模块采集到的数据。

2.根据权利要求1所述的一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，其特征在于，所述的采集模块包括第一电极(8)、第二电极(9)、压力表(11)和微电流计，所述的第一电极(8)和第二电极(9)分别穿设于压力釜(7)的釜盖上，且与压力釜(7)釜盖之间形成密封结构，其一端通过屏蔽电缆(12)与微电流计连接，另一端与同轴压电电缆连接，所述的压力表(11)用于测量压力釜(7)内部的压力。

3.根据权利要求2所述的一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，其特征在于，所述的第一电极(8)和第二电极(9)外表面开设螺纹，与压力釜(7)的釜盖通过螺纹连接，所述的采集模块还包括密封组件(5)，所述的密封组件包括设置于高压釜(7)釜盖被电极穿过部分的聚四氟乙烯垫片，以及与聚四氟乙烯垫片配合使用的不锈钢垫片和螺栓。

4.根据权利要求2所述的一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，其特征在于，所述的第一电极(8)和第二电极(9)之间的距离大于5cm。

5.根据权利要求2所述的一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，其特征在于，所述的第一电极(8)和第二电极(9)的长度不同。

6.根据权利要求1所述的一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，其特征在于，所述的高压气源包括压缩氮气瓶(1)和减压阀(2)，所述的气路管线(6)包括进口管线和出口管线，所述的进口管线上设置进气阀(3)，所述的出口管线上设置排气阀(4)，所述的压缩氮气瓶(1)与气路管线(6)连接。

7.根据权利要求2所述的一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，其特征在于，所述的第一电极(8)和第二电极(9)的材料采用包括铝、银、铜、金、石墨、石墨烯和/或不锈钢。

8.根据权利要求1所述的一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，其特征在于，所述的压力釜(7)为304不锈钢压力釜(7)，容积为500ml，所述的压力表(11)的量程为0-3Mpa。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的测量同轴压电电缆静水压压电系数系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测量待测同轴压电电缆(10)的长度和直径，并计算其表面面积；

S2：剥除同轴压电电缆护套层，露出同轴压电电缆(10)的芯电极和屏蔽电极；

S3：将同轴压电电缆(10)的芯电极和屏蔽电极分别与采集模块连接，并将同轴压电电缆(10)放置于压力釜(7)内；

S4：高压气源向压力釜(7)充气施压直至达到设定值；

S5：缓慢释放压力釜(7)内气体，进行压力卸载；

S6：测量同轴压电电缆(10)在压力釜(7)内压力卸载过程中产生的电荷变化量ΔQ，并记录压力釜(7)内压力变化量ΔP；

S7：根据电荷变化量ΔQ和压力变化量ΔP计算得到同轴压电电缆静水压压电系数d_3h。

10.根据权利要求9所述的一种测量同轴压电电缆静水压压电系数的系统，其特征在于，所述的步骤S7中的计算公式为：

其中，d_3h为同轴压电电缆静水压压电系数，其单位为pC/N，ΔQ为压力卸载过程中产生的电荷变化量，其单位为pC，ΔP为压力釜内压力变化量，其单位为Mpa，A为同轴压电电缆表面面积，其单位为mm²。

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