CN113866544A - 一种测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置，包括测试支架、加力装置和线性差动变压器(LVDT)测试系统。加力装置通过螺纹杆(04)拧入外框(01)的螺孔，通过调整进深长度挤压弹簧产生压力，一体式中心压块(02)将压力作用于被测压电陶瓷驱动器(09)上，被测压电陶瓷驱动器(09)下端的压力传感器(12)显示被测压电陶瓷驱动器(09)承受的负载值，并根据压力传感器(12)显示值调整加力装置的力达到设计的负载值。通过调整测试支架，使得LVDT探头高度达到可测试高度。信号采集卡采集高压放大器输出电压值和LVDT信号调理器输出模拟电压值，测得不同负载下的电场‑位移曲线。本装置体型小、结构简单、造价低以及测试精度高。

Description

一种测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置
技术领域
本发明涉及一种测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置，涉及电子陶瓷与元器件测试检测技术领域。
背景技术
多层压电陶瓷驱动器基于压电陶瓷的场致应变特性可实现电场下的精密位移，并具有亚纳米级的分辨率、毫秒级的响应速率、高输出力等优势，因此被广泛应用于精密微动平台、压电点胶、燃油喷射器以及能动光学等领域。压电驱动器无法承受拉应力和剪切应力，需要在负载下使用来延长驱动器的使用寿命，因此在使用时通常需要施加一定的预载(10～15MPa)。工作时负载的应力会影响压电驱动器电畴的翻转，因此会影响驱动器位移的输出。为了确保施加预载的同时保证产品有较大的位移输出满足应用要求，以及在研发多层驱动器产品过程中实现性能测试，需要专用的测试系统来表征分析多层压电驱动器在力学负载下的位移输出特性。
目前，国外有压电陶瓷驱动器负载下位移输出的测试装置(Journal of theEuropean Ceramic Society 5(2017)2039-2046)，并无相应的机制图，同时该装置测试结构复杂，需要的LVDT测试探头3个，且造价较高。国内尚无相关测试装置报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种体型小、结构简单、造价低以及测试精度高的压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置。
本发明采用的技术方案为：一种测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置，该装置包括测试支架、加力装置和LVDT测试系统，加力装置通过螺纹杆拧入外框的螺孔，通过进深长度调整挤压大弹簧产生的压力，一体式中心压块将压力作用于压电驱动器上，驱动器下端的压力传感器显示驱动器承受的负载值，并根据力学传感器显示值调整加力装置的力达到设计的负载值。力传感器上端固定有一底板，将测试支架固定于可上下移动底板上，并调节LVDT固定筒配合的小弹簧和LVDT固定筒调整螺母，转动调整螺母即可上下微调LVDT的位置，使得LVDT探头高度达到可测试高度。信号采集卡输出模拟电压信号并经高压放大器放大，以对驱动器加载设定电压值。LVDT测试系统包括高压放大器、电压信号采集卡和数据处理系统；信号采集卡输出模拟电压信号并经高压放大器放大，以对被测压电陶瓷驱动器加载设定电压值；信号采集卡采集高压放大器输出电压值和LVDT信号调理器输出的模拟电压值经数据处理系统处理后获得测量实时位移，测得不同负载下的电场-位移曲线。
进一步地，负载下位移测试精度>98％。
进一步地，加力装置通过螺纹杆拧入外框的螺孔，通过进深长度调整挤压弹簧产生的压力，一体式中心压块将压力作用于被测压电陶瓷驱动器上，被测压电陶瓷驱动器下端的压力传感器显示被测压电陶瓷驱动器承受的负载值，并根据压力传感器显示值调整加力装置的力达到设计的负载值；压力传感器上端固定有一底板，将测试支架固定于可上下移动底板上，并调节LVDT固定筒配合的小弹簧和LVDT固定筒调整螺母，转动LVDT固定筒调整螺母即可上下微调LVDT的位置，使得LVDT探头高度达到可测试高度。
本发明的有益效果：与现有技术比较，本发明体型小、结构简单、造价低以及高的测试精度，可快速实现不同负载下不同尺寸压电驱动器位移与电压曲线的输出。
附图说明
图1为测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的加力装置示意图，其中，01为外框，02为中心压块，03为滚珠滑套保持架，04为螺纹杆，05为推力轴承，06为上垫圈，07为大弹簧，08为下垫圈，09为被测压电陶瓷驱动器，10为第一螺钉，11为底板，12为压力传感器；
图2为传感器测试支架示意图，其中，13为LVDT，14为LVDT固定筒，14-1为第二螺钉，15为小弹簧，16为LVDT固定筒调整螺母，17为传感器主支架；
图3为PI公司商用驱动器(P-885.51)利用该测试装置测试的负载下的位移输出图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1-2所示，本发明一种测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置，该装置包括测试支架、加力装置和LVDT测试系统，加力装置外框01底部固定有一压力传感器12，压力传感器12上端固定有一底板11，底板11可与压力传感器12上端面一起做上下移动，测试时被测压电陶瓷驱动器9置于底板11上，被测压电陶瓷驱动器9的上端由一体式中心压块02压住，中心压块上有两开槽和外框01的两突出部嵌套，防止中心压块发生旋转；中心压块的棒状尾部的端面与LVDT 13接触，其位移变化被LVDT 13测量；中心压块上依次嵌套有滚珠滑套保持架03、下垫圈08、大弹簧07、上垫圈06、推力轴承05，以消除螺纹杆04挤压弹簧时的剪切力；螺纹杆04拧入外框01的螺孔，通过进深长度调整挤压弹簧产生的压力；测试支架包括传感器主支架17上开有两槽口，其通过第一螺钉10与底板11固定，并且位置上下可调；传感器主支架17上嵌套有LVDT固定筒14，LVDT 13置于LVDT固定筒14中用第二螺钉14-1固定，LVDT固定筒配合小弹簧15和LVDT固定筒调整螺母16，转动LVDT固定筒调整螺母16即可上下微调LVDT13的位置；LVDT测试系统包括高压放大器、电压信号采集卡和数据处理系统；信号采集卡输出模拟电压信号并经高压放大器放大，以对被测压电陶瓷驱动器加载设定电压值；信号采集卡采集高压放大器输出电压值和LVDT信号调理器输出的模拟电压值经数据处理系统处理后获得测量实时位移，测得不同负载下的电场-位移曲线。
所述的加力装置包括：外框01、一体式中心压块02、滚珠滑套保持架03、螺纹杆04、推力轴承05、上垫圈06、大弹簧07、下垫圈08、第一螺钉10、底板11和压力传感器12。中心压块上依次嵌套有滚珠保持滑套、下垫圈、大弹簧、上垫圈、推力轴承以消除了螺纹杆挤压弹簧时的剪切力。
所述的加力装置的外框有两开槽的两突出部，与中心块嵌套，防止其发生旋转。
所述的加力装置使用弹簧作为加力单元：负载的施加是通过螺纹杆拧入外框的螺孔挤压弹簧产生的压力，由于负载是通过弹簧的变形加在驱动器上，弹簧的压缩长度(毫米级)远大于压电驱动器在电场作用下产生的行程(微米级)，根据加载力的大小匹配不同刚度系数的弹簧可以将测试精度提升到98％以上。而目前国外的技术采用标定的多层压电促动器施加负载并用PID控制器进行控制，结构复杂以及造价昂贵。
所述的加力装置使用的为一体式中心压块，能确保测试精度。
所述的测试支架包括：LVDT固定筒14、LVDT 13、LVDT固定筒配合小弹簧15、LVDT固定筒调整螺母16和传感器主支架17。
所述的测试支架通过第一螺钉10与底板11固定，可以跟着力学传感器的变形同时运动，避免力学传感器变形对行程测试的影响；这种设计只需要采用一根LVDT探头进行测试。现有技术采用两根LVDT探头分别测试力学传感器的位移变化以及驱动器端的位移变化，其差值为驱动器在该负载下的实际位移输出，结构复杂。
所述的测试支架设计了LVDT固定筒配合小弹簧15和LVDT固定筒调整螺母16，转动调整螺母16即可上下微调LVDT的位置。
所述的LVDT测试系统包括：信号采集卡(模拟电压输出)、高压放大器、LVDT信号调理器、信号采集卡(模拟电压输入)、数据处理系统。
实施例
采用该装置测试PI公司商用驱动器(P-885.51)在不同负载下的位移输出。将驱动器放置在底板11上，并将中心压块上嵌套好滚珠保持滑套03、下垫圈08、大弹簧07、上垫圈06、推力轴承05。将一体式中心压块02压在压电驱动器上并调整好测试位置，使驱动器位于中心压块正中间。通过螺纹杆04拧入外框01的螺孔，通过进深长度调整挤压大弹簧07产生压力，通过一体式中心压块将压力作用于压电驱动器上，并观察驱动器下端的压力传感器12显示值，达到设定值后停止拧螺纹杆。测试建议一般从低负载逐渐测试到高负载，本实施例从0N、300N、600N逐渐测试到4500N。然后将测试支架通过第一螺钉10与底板11固定，并根据压缩弹簧后的位置上下可调支架高度。将LVDT 13置于LVDT固定筒14中，用第二螺钉14-1固定，LVDT固定筒配合小弹簧15和LVDT固定筒调整螺母16，转动LVDT固定筒调整螺母16微调LVDT的位置，使其达到测试位。通过信号采集卡(模拟电压输出)和高压放大器对驱动器加载设定电压值，信号采集卡(模拟电压输入)采集高压放大器输出电压和LVDT信号调理器输出电压测得实时电压值和位移，输出负载下的电场-位移曲线。详细测试曲线如图3。

Claims (3)

1.一种测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置，其特征在于：该装置包括测试支架、加力装置和LVDT测试系统，加力装置外框(01)底部固定有一压力传感器(12)，压力传感器(12)上端固定有一底板(11)，底板(11)可与压力传感器(12)上端面一起做上下移动，测试时被测压电陶瓷驱动器(9)置于底板(11)上，被测压电陶瓷驱动器(9)的上端由一体式中心压块(02)压住，中心压块(02)上有两开槽和外框(01)的两突出部嵌套，防止中心压块(02)发生旋转；中心压块(02)的棒状尾部的端面与LVDT(13)接触，其位移变化被LVDT(13)测量；中心压块(02)上依次嵌套有滚珠滑套保持架(03)、下垫圈(08)、大弹簧(07)、上垫圈(06)、推力轴承(05)，以消除螺纹杆(04)挤压弹簧时的剪切力；螺纹杆(04)拧入外框(01)的螺孔，通过进深长度调整挤压大弹簧(07)产生压力；测试支架包括传感器主支架(17)上开有两槽口，其通过第一螺钉(10)与底板(11)固定，并且位置上下可调；传感器主支架(17)上嵌套有LVDT固定筒(14)，LVDT(13)置于LVDT固定筒(14)中用第二螺钉(14-1)固定，LVDT固定筒(14)配合小弹簧(15)和LVDT固定筒调整螺母(16)，转动LVDT固定筒(14)调整螺母(16)即可上下微调LVDT(13)的位置；LVDT测试系统包括高压放大器、电压信号采集卡和数据处理系统；信号采集卡输出模拟电压信号并经高压放大器放大，以对被测压电陶瓷驱动器加载设定电压值；信号采集卡采集高压放大器输出电压值和LVDT信号调理器输出的模拟电压值经数据处理系统处理后获得测量实时位移，测得不同负载下的电场-位移曲线。
2.根据权利要求1所述一种测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置，其特征在于：负载下位移测试精度>98％。
3.根据权利要求1所述一种测量压电陶瓷驱动器负载下位移输出的装置，其特征在于：加力装置通过螺纹杆(04)拧入外框(01)的螺孔，通过进深长度调整挤压弹簧产生的压力，一体式中心压块(02)将压力作用于被测压电陶瓷驱动器(09)上，被测压电陶瓷驱动器(09)下端的压力传感器(12)显示被测压电陶瓷驱动器(09)承受的负载值，并根据压力传感器(12)显示值调整加力装置的力达到设计的负载值；压力传感器(12)上端固定有一底板(11)，将测试支架固定于可上下移动底板(11)上，并调节LVDT固定筒(14)配合的小弹簧(15)和LVDT固定筒调整螺母(16)，转动LVDT固定筒调整螺母(16)即可上下微调LVDT(13)的位置，使得LVDT探头高度达到可测试高度。
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