CN113776424B - 一种柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置及方法，所述装置包括弯曲半径测量机构和弯曲控制机构；所述弯曲半径测量机构包括控制弯曲半径测量机构前后移动的前后滑轨、固定前后滑轨的前后固定旋钮、支架、水平梁、调节水平梁高度的竖直微调螺母和固定水平梁的竖直固定旋钮；所述弯曲控制机构包括步进电机、步进电机驱动的距离控制滑块、控制滑块水平移动的水平滑轨、毫米尺、固定样品夹具和控制步进电机的装置控制面板。本装置可实现柔性压电复合材料的任意弯曲半径下的性能测试，连续调节弯曲半径大小，可针对不同类型的具有一定力学强度、一定柔性的压电复合材料进行测量，测试方法能更加直观展现弯曲半径与材料之间的变化规律。

Description

一种柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置及方法

技术领域

本发明涉及及柔性材料性能测试技术领域，具体涉及一种柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置及方法。

背景技术

柔性压电复合材料是由压电陶瓷材料与环氧树脂等高分子聚合物复合而成，具有一定的柔性与刚度，被广泛应用于传感、驱动和健康监测领域。传统压电陶瓷材料脆性高、韧性差，而柔性压电复合材料具有较好的变形性能和良好的疲劳性能，可以适用于各种曲面结构上，实现曲面结构的传感、驱动和健康监测功能，是一种新型的具有应用前景的功能材料。

近年来，各种材料的应用逐渐向小型化、微型化发展，特别对于柔性器件来说，其需求量不断增大。但是目前来说，柔性压电复合材料的性能测试往往需要材料发生一定的变形量，而弯曲半径就是一个很好的标准，但是对于柔性压电复合材料的弯曲半径测量却缺少有效的测量方法，不能明确的展示弯曲半径大小与性能的函数关系。

目前柔性压电复合材料表征弯曲半径与材料的性能之间变化规律，如专利号为CN1057849，专利名称为“一种测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置和方法”，装置中包括多个片状多边形材料，用于固定和支撑管状或柱状体，和用于标注曲率半径的各管状或柱状材料，该装置的使用需要将样品贴合与各个管状或柱状材料上，可以实现测量柔性材料性能随弯曲半径变化规律的装置，其中样品通过金线或银浇方法与相应测试仪器连接，例如测量纤维两段固定在弯曲装置上，测量其螺旋变形下性能的变化规律，缺点是不能将任意调节弯曲半径大小与测量弯曲半径相结合，若是能精确调节弯曲半径但是能变化的半径大小有限且固定，不能很好的实现任意弯曲半径下的材料性能检测；不能实现随机调节弯曲半径，效率较低，测量较局限，以至于不能连续的检测出弯曲半径与材料性能之间的变化规律，目前的方案不能较为准确的测量其弯曲半径。

因此，亟待发明一种装置和方法，可以有效实现任意柔性压电复合材料的弯曲半径测量并能研究弯曲半径与性能之间的关系。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置及方法，本装置可实现柔性压电复合材料的任意弯曲半径下的性能测试，连续调节弯曲半径大小，可实现弯曲半径较为精准的调控，同时可针对不同类型的具有一定力学强度同时具有一定柔性的压电复合材料进行测量，测试方法能更加直观展现弯曲半径与材料之间的变化规律，解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置，所述装置包括弯曲半径测量机构和弯曲控制机构；所述弯曲半径测量机构包括控制弯曲半径测量机构前后移动的前后滑轨、固定前后滑轨的前后固定旋钮、支架、水平梁、调节水平梁高度的竖直微调螺母和固定水平梁的竖直固定旋钮；所述弯曲控制机构包括步进电机、步进电机驱动的距离控制滑块、控制滑块水平移动的水平滑轨、毫米尺、固定样品夹具和控制步进电机的装置控制面板；通过步进电机实现给样品施加不同的步进位移，实现样品弯曲，通过上述弯曲半径测量装置实现弯曲半径的测量。

优选的，所述的支架设置在前后滑轨的上方，所述支架可在前后滑轨上移动，并可通过前后固定旋钮固定支架与前后滑轨之间的移动；所述的水平梁设置在支架上，并通过竖直微调螺母和竖直固定旋钮来调节水平梁的高度和固定水平梁。

优选的，所述的样品采用固定样品夹具将其固定，所述样品的另一端与距离控制滑块连接，步进电机驱动距离控制滑块移动使样品随之弯曲，便于测量。

优选的，所述的固定样品夹具尺寸为：长度为100mm，宽度为30mm，高度为10mm。

优选的，所述的水平梁上设置的有左端测量部件、右端测量部件和顶端测量部件；所述左端测量部件包括左端水平微调螺母、左端水平固定旋钮，所述右端测量部件包括右端水平微调螺母、右端水平固定旋钮，所述顶端测量部件包括毫米尺、顶端固定旋钮；所述的左端测量部件和右端测量部件的下方分别连接的有三角顶头。

优选的，所述的左端测量部件和右端测量部件可在水平梁上水平移动，所述毫米尺可在垂直于水平梁的方向上下位移，并可通过顶端固定旋钮旋紧固定。

一种柔性压电复合材料的测试方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1、在弯曲半径测量装置上装载柔性压电复合材料样品，样品的另一端与距离控制滑块连接，将样品通过银或铜导线引出，引出的线连接电压/电流测试装置，用于测量时监测电压/电流；

S2、控制步进电机使滑块向前移动，从而使柔性压电复合材料样品弯曲，最终弯曲到指定位置后，使用弯曲半径测量机构对样品弯曲半径进行测量；

S3、用毫米尺测量柔性压电复合材料样品弯曲顶点到下方弦长的距离a，同时记录测量部件下方的左右两个三角顶头两端的距离，即弦长b；

S4、通过公式

计算弯曲半径r；

S5、记录弯曲过程直至最终弯曲指定位置时的性能数据，即得到对应弯曲半径与性能之间的关系。

优选的，所述的步骤S2具体还包括：控制支架在前后滑轨上移动，移动到使测量部件在弯曲样品上方的合适位置，将前后固定旋钮旋紧，使用左右两端测量部件在水平梁上水平移动，调节水平微调螺母，使得测量部件下方的左右两个三角顶头刚好接触到弯曲样品表面，将水平固定旋钮旋紧，调节顶端测量部件的毫米尺，使得毫米尺下端刚好接触样品弯曲的最顶端，将顶端固定旋钮旋紧。

优选的，所述的步骤S5的性能数据是电压、电流值变化。

本发明的有益效果是：本发明可实现柔性压电复合材料的任意弯曲半径下的性能测试，连续调节弯曲半径大小，更加直观展现弯曲半径与材料之间的变化规律，特别是可以进行不同弯曲半径下的疲劳性能测试，装置直观简单、集成度较高，简化操作流程，操作简单、计算方便，测量重复性好。不仅容易实现柔性压电复合材料不同弯曲半径的测量，而且能够实现连续化、不间断测量，装载样品后，只需通过装置控制面板调节参数即可使用。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明装置立体结构示意图；

图3为本发明装置平面结构示意图；

图4为本发明测量原理图；

图5为压电纤维复合材料在五种不同弯曲半径下测试所对应的输出电压/电流图，图5(a)为压电纤维复合材料在五种不同弯曲半径下测试所对应的输出电压图，图5(b)为压电纤维复合材料在五种不同弯曲半径下测试所对应的输出电流图；

图6为压电纤维复合材料在弯曲半径为25.0mm、弯曲频率为0.5Hz时，不同循环次数下对应的输出电压/电流图，图6(a)为压电纤维复合材料在弯曲半径为25.0mm、弯曲频率为0.5Hz时，不同循环次数下对应的输出电压图，图6(b)为压电纤维复合材料在弯曲半径为25.0mm、弯曲频率为0.5Hz时，不同循环次数下对应的输出电流图；

图中，1-样品，2-弯曲半径测量机构，3-距离控制滑块，4-步进电机，5-固定样品夹具，6-装置控制面板，7-前后滑轨，8-支架，9-水平梁，10-毫米尺，11-水平滑轨，12-竖直微调螺母，13-竖直固定旋钮，14-左端水平固定旋钮，15-左端水平微调螺母，16-右端水平固定旋钮，17-右端水平微调螺母，18-前后固定旋钮，19-顶端固定旋钮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图6，本发明提供一种技术方案：一种柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置，装置结构如图1所示，所述装置包括弯曲半径测量机构2和弯曲控制机构。

如图2所示，弯曲半径测量机构包括控制弯曲半径测量机构前后移动的前后滑轨7、固定前后滑轨的前后固定旋钮18、支架8、水平梁9、调节水平梁高度的竖直微调螺母12和固定水平梁的竖直固定旋钮13。

弯曲控制机构包括步进电机4、步进电机驱动的距离控制滑块3、控制滑块水平移动的水平滑轨11、毫米尺10、固定样品夹具5和控制步进电机的装置控制面板6；通过步进电机4实现给样品1施加不同的步进位移，实现样品弯曲，通过上述弯曲半径测量装置实现弯曲半径的测量。

支架8设置在前后滑轨7的上方，所述支架可在前后滑轨上移动，并可通过前后固定旋钮18固定支架与前后滑轨之间的移动；所述的水平梁9设置在支架8上，并通过竖直微调螺母12和竖直固定旋钮13来调节水平梁的高度和固定水平梁。

样品1采用固定样品夹具5将其固定，所述样品的另一端与距离控制滑块3连接，步进电机驱动距离控制滑块移动使样品随之弯曲，便于测量。

固定样品夹具5尺寸为：长度为100mm，宽度为30mm，高度为10mm。按照此装置设计大小，测试柔性压电复合材料样品的尺寸应在：长度为≤100mm，宽度为≤100mm，厚度为≤1mm。

如图3所示，水平梁9上设置的有左端测量部件、右端测量部件和顶端测量部件；所述左端测量部件包括左端水平微调螺母15、左端水平固定旋钮14，所述右端测量部件包括右端水平微调螺母17、右端水平固定旋钮16，所述顶端测量部件包括毫米尺10、顶端固定旋钮19；所述的左端测量部件和右端测量部件的下方分别连接的有三角顶头。

所述的左端测量部件和右端测量部件可在水平梁上水平移动，所述毫米尺10可在垂直于水平梁的方向上下位移，并可通过顶端固定旋钮19旋紧固定。

一种柔性压电复合材料的测试方法，包括如下步骤：

S1、在弯曲半径测量装置上装载柔性压电复合材料样品，样品的另一端与距离控制滑块连接，将样品通过银或铜导线引出，引出的线连接电压/电流测试装置，用于测量时监测电压/电流；

S2、控制步进电机使滑块向前移动，从而使柔性压电复合材料样品弯曲，最终弯曲到指定位置后，使用弯曲半径测量机构对样品弯曲半径进行测量；具体还包括：控制支架在前后滑轨上移动，移动到使测量部件在弯曲样品上方的合适位置，将前后固定旋钮旋紧，使用左右两端测量部件在水平梁上水平移动，调节水平微调螺母，使得测量部件下方的左右两个三角顶头刚好接触到弯曲样品表面，将水平固定旋钮旋紧，调节顶端测量部件的毫米尺，使得毫米尺下端刚好接触样品弯曲的最顶端，将顶端固定旋钮旋紧。

S3、用毫米尺测量柔性压电复合材料样品弯曲顶点到下方弦长的距离a，同时记录测量部件下方的左右两个三角顶头两端的距离，即弦长b；

S4、通过公式

计算弯曲半径r；其中r为近似弯曲半径，b为弯曲半径所在圆的水平弦长，a为弦b到其所在圆弧顶距离。由于在弯曲过程中，样品的整个区域不能保证与弯曲半径圆弧贴合，所以当a值越小(毫米级)时，r就越接近柔性压电复合材料的真实弯曲半径。如图4所示，是测量的原理图，得到弯曲半径测量公式(公式1)，即柔性压电复合材料的弯曲半径：

S5、记录弯曲过程直至最终弯曲指定位置时的性能数据(电压、电流值变化)/图，即得到对应弯曲半径与性能之间的关系。

实施例1

压电纤维复合材料的弯曲半径测量以及不同弯曲半径下的电压输出和电流输出。

按照上面所述的测试方法步骤，将压电纤维复合材料装载在装置上，将样品通过银(或铜)导线引出，引出的线连接电压/电流测试装置(电流计等)，用于测量时监测电压/电流。装置做绝缘处理，以免导电干扰输出信号，引起误差。控制步进电机向前移动，控制压电纤维复合材料样品弯曲程度，用弯曲半径测量机构(如图1所示)测量压电纤维复合材料的弯曲半径,同时记录相对应的电压、电流值变化。

测试结果：按照上述方法测试，压电纤维复合材料(尺寸：82mm×42mm×0.3mm)随着弯曲半径的增加，电压/电流值随之增加，证明压电纤维复合材料具有良好的柔性,弯折半径为32.5mm时,其电压值达到10V左右，如图5所示，图5(a)为压电纤维复合材料在五种不同弯曲半径下测试所对应的输出电压图，图5(b)为压电纤维复合材料在五种不同弯曲半径下测试所对应的输出电流图。通过本发明装置,可以精准直观测量同一样品在不同弯曲变形程度下各种性能的变化规律，对于样品弯曲半径的大小做到了任意调节，灵活度高，测量较为精准。

实施例2

压电纤维复合材料的固定弯曲半径下的疲劳性能测试。

按照上面所述的测试方法步骤，将压电纤维复合材料装载在装置上，将样品通过银(或铜)导线引出，引出的线连接电压/电流测试装置(电流计等)，用于测量时监测电压/电流。装置做绝缘处理，以免导电干扰输出信号，引起误差。控制步进电机向前移动，控制压电纤维复合材料样品弯曲到指定弯曲半径,在固定频率下，记录经过若干次循环弯曲变形到指定位置时的电压/电流值变化，弯曲循环后测量的电压/电流值与初始为弯曲时的电压/电流值对比，检测其疲劳性能。

测试结果：按照上述方法测试，压电纤维复合材料(尺寸：82mm×42mm×0.3mm)在弯曲半径为25.0mm、频率为0.5Hz时,连续弯曲10000次后，其电压值无明显变化，电流值相对变化小于10％，如图6所示，图6(a)为压电纤维复合材料在弯曲半径为25.0mm、弯曲频率为0.5Hz时，不同循环次数下对应的输出电压图，图6(b)为压电纤维复合材料在弯曲半径为25.0mm、弯曲频率为0.5Hz时，不同循环次数下对应的输出电流图。通过本发明装置,可以便捷实现同一样品在固定弯曲半径下的疲劳性能检测，可根据实际具体需求调节样品弯曲半径，测试对于弯曲半径下的疲劳性能，装置自带循环次数记录，方便简单。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置，其特征在于，所述装置包括弯曲半径测量机构(2)和弯曲控制机构；所述弯曲半径测量机构包括控制弯曲半径测量机构前后移动的前后滑轨(7)、固定前后滑轨的前后固定旋钮(18)、支架(8)、水平梁(9)、调节水平梁高度的竖直微调螺母(12)和固定水平梁的竖直固定旋钮(13)；所述弯曲控制机构包括步进电机(4)、步进电机驱动的距离控制滑块(3)、控制滑块水平移动的水平滑轨(11)、毫米尺(10)、固定样品夹具(5)和控制步进电机的装置控制面板(6)；通过步进电机(4)实现给样品(1)施加不同的步进位移，实现样品弯曲，通过上述弯曲半径测量装置实现弯曲半径的测量；

所述的水平梁(9)上设置的有左端测量部件、右端测量部件和顶端测量部件；所述左端测量部件包括左端水平微调螺母(15)、左端水平固定旋钮(14)，所述右端测量部件包括右端水平微调螺母(17)、右端水平固定旋钮(16)，所述顶端测量部件包括毫米尺(10)、顶端固定旋钮(19)；所述的左端测量部件和右端测量部件的下方分别连接的有三角顶头；

所述的左端测量部件和右端测量部件可在水平梁上水平移动，所述毫米尺(10)可在垂直于水平梁的方向上下位移，并可通过顶端固定旋钮(19)旋紧固定。

2.根据权利要求1所述的柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置，其特征在于：所述的支架(8)设置在前后滑轨(7)的上方，所述支架可在前后滑轨上移动，并可通过前后固定旋钮(18)固定支架与前后滑轨之间的移动；所述的水平梁(9)设置在支架(8)上，并通过竖直微调螺母(12)和竖直固定旋钮(13)来调节水平梁的高度和固定水平梁。

3.根据权利要求1所述的柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置，其特征在于：所述的样品(1)采用固定样品夹具(5)将其固定，所述样品的另一端与距离控制滑块(3)连接，步进电机驱动距离控制滑块移动使样品随之弯曲，便于测量。

4.根据权利要求1或3所述的柔性压电复合材料的弯曲半径测量装置，其特征在于：所述的固定样品夹具(5)尺寸为：长度为100mm，宽度为30mm，高度为10mm。

5.一种利用权利要求1-4中任一项所述装置用于测量柔性压电复合材料的测试方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1、在弯曲半径测量装置上装载柔性压电复合材料样品，样品的另一端与距离控制滑块连接，将样品通过银或铜导线引出，引出的线连接电压/电流测试装置，用于测量时监测电压/电流；

S2、控制步进电机使滑块向前移动，从而使柔性压电复合材料样品弯曲，最终弯曲到指定位置后，使用弯曲半径测量机构对样品弯曲半径进行测量；

S3、用毫米尺测量柔性压电复合材料样品弯曲顶点到下方弦长的距离a，同时记录测量部件下方的左右两个三角顶头两端的距离，即弦长b；

S4、通过公式

计算弯曲半径r；

S5、记录弯曲过程直至最终弯曲指定位置时的性能数据，即得到对应弯曲半径与性能之间的关系。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述的步骤S2具体还包括：控制支架在前后滑轨上移动，移动到使测量部件在弯曲样品上方的合适位置，将前后固定旋钮旋紧，使用左右两端测量部件在水平梁上水平移动，调节水平微调螺母，使得测量部件下方的左右两个三角顶头刚好接触到弯曲样品表面，将水平固定旋钮旋紧，调节顶端测量部件的毫米尺，使得毫米尺下端刚好接触样品弯曲的最顶端，将顶端固定旋钮旋紧。

7.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：所述的步骤S5的性能数据是电压、电流值变化。

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