CN1920527A - 一种力电耦合加载与三维全场变形测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种力电耦合加载与三维全场变形测量系统，涉及一种对压电铁电材料施加力电耦合载荷的加载装置以及三维变形测量系统。属于结构形变及力学实验技术领域。本系统将力电耦合加载装置和三维多功能干涉系统很好的结合在同一个实验台上，在满足光测要求的同时，能够提供力载荷，电载荷以及力电耦合加载，同时可以进行云纹干涉面内变形测量和迈可耳逊干涉离面变形测量的三维测量。实现力电耦合加载下铁电陶瓷材料的180°畴变，面内、离面90°畴变的u、v、w三个位移场的高精度实时位移测量，便于畴变的细观机理分析。本发明装置使用方便，结构紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及一种对压电铁电材料施加力载荷、电载荷、力电耦合载荷的加载装置以及三维变形测量系统。属于结构形变及力学实验技术领域。
背景技术
对于压电铁电材料，由于其特殊的压电和介电性质以及与之相关的机电、热电等方面的耦合性能而被广泛地应用于各类信息功能器件。对压电铁电材料在复杂载荷作用下的细观破坏机理的研究不仅对于信息功能器件的安全性和可靠性至关重要，而且对细观力学和材料科学的研究也有重要的学术和应用价值。为解决压电铁电材料在复杂力电耦合载荷作用下的力学特性的实验研究问题，研究人员主要通过设计两种加载变形测量实验方案。一种是高压电源电加载与试验机机械加载相结合实现力电耦合加载，电测法进行变形测量，Seungbae Park等(Seungbae Park and Chin-The Sun，Fracture Criteria for Piezoelectric Ceramics，J.Am.Ceram.Soc.78(6)(1995)，1475-1480)，就是采用MTS试验机和高压电源电加载相结合研究了I型裂纹的破坏特性。这种方法比较简单，但是对于小型试件或断裂强度较低的试件采用实验机进行实验并不方便，另外由于使用了电测法进行变形测量，只能测量待测点长度范围内的平均位移和应变，对于电畴的畴变引起的非线性二维变形场的测量和深入的细观研究，无能为力。另一种方法是将高压电源电加载与云纹干涉法变形测量相结合实现畴变的二维变形测量。S.B.Park等(S.B.Park，S.S.Park，G.P.Carman and H.T.Hahn.Measuring StrainDistribution During Mesoscopic Domain Reorientation in a Ferroelectric Material，Journal ofEngineering materials and Technology，Vol.120(1998)，1-6.)就是利用这种方法研究了面内极化的铁电陶瓷PZT-5H在电场载荷作用下90°和180°畴变产生的二维应变场，分析了电场导致的畴变规律。但是对于离面极化的铁电材料的畴变规律的研究无法进行。谢惠民等于2004年研制的三维多功能干涉系统可以同时测量三维变形场(专利申请号：200410000005.0)，但是所研制的加载系统无法进行力电耦合加载，因此对于力电耦合载荷作用下铁电材料的三维细观力学研究无能为力。并且前面介绍的力电耦合加载装置由于采用了试验机加载方式，无法与三维多功能干涉系统保持在同一工作台上，而且没有办法进行各个方向的旋转和平移的调节，然而三维多功能干涉系统要求方便的调节焦距，角度，需要很高的平稳度，才能保证测量的精度，得到高质量的实验结果，因此它们不能很好的结合在一起构成一套完成的力磁耦合加载与三维全场变形测量系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种力电耦合加载与三维全场变形测量装置，利用力电耦合加载与三维多功能干涉系统结合实现力电耦合载荷作用下三维全场变形实时测量，以实现铁电压电材料在复杂的力电耦合载荷场作用下的细观力学特性的综合实验研究。
本发明的技术方案如下：
一种力电耦合加载与三维全场变形测量系统，包括工作台，安装在该工作台上的图像采集与处理系统和六维调节架，以及通过精密升降架与工作台相连的三维干涉光路系统，所述的图像采集与处理系统和六维调节架分别布置在三维干涉光路系统的两侧，其特征在于：所述的电耦合加载与三维全场变形测量系统还包括力电耦合加载装置，所述的力电耦合加载装置包括机械加载装置，电加载装置和力电耦合加载环境室，所述的机械加载装置包括主框架和力传动与测量系统，该机械加载装置通过其主框架安装在六维调节架上，所述的力电耦合加载环境室设置在机械加载装置的主框架底部，所述的力电耦合加载环境室包括带有前表面视窗的油槽，设置在油槽内的试件支撑结构，所述的试件支撑结构由支架，设置在支架底部的两个支撑端和两个自平衡弹簧片组成，所述的两个自平衡弹簧片对称固定在支架侧壁上，其中一个自动弹簧片通过高压导线与所述的电加载装置的高压端连接，另一个自平衡弹簧片与地线连接。
本发明的技术方案中，其特征在于：所述的力传动与测量系统包括穿过主框架上壁的带凹槽导轨的螺杆，设置在该螺杆上端转动轮，固定在转动轮上部的手动转盘，设置在转动轮下部且固定在主框架上壁的限位套，设置在螺杆下端的载荷传感器，与载荷传感器相连的绝缘块，以及与该绝缘块相连的加载头。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：将力电耦合加载与三维多功能干涉系统很好的结合在同一工作台内，在保证方便调节力电耦合加载系统，满足各种光测要求的同时，力电耦合加载三维全场变形测量装置中可提供力、电以及力电耦合载荷加载，且具有自动平衡和对中功能；同时可提供面内，以及离面三维全场变形测量。该系统使用方便，结构紧凑，可以实现力电耦合加载下铁电陶瓷材料的180°畴变，面内和离面90°畴变的u、v、w三个非线性变形场的高精度实时测量，便于畴变的细观机理分析，位移测量灵敏度可达波长量级。
附图说明
图1为本发明的力电耦合加载系统示意图。
图2为本发明提供的机械加载装置示意图。
图3为本发明提供的力电耦合加载与三维全场变形测量系统结构示意图。
图4为A-A面的局部剖面图(左视图)。
图中：1-力电耦合加载环境室；2-机械加载装置；3-电场加载装置；4-三维干涉光路系统；5-油槽；6-固定旋钮；7-支撑端；8-支架；9-试件；10-加载头；11-绝缘块；12-载荷传感器；13-带凹槽导轨的螺杆；14-自平衡弹簧片；15-高压导线；16-地线；17-主框架；18-手动转盘；19-转动轮；20-前表面视窗；21-燕尾槽；22-导向销钉；23-限位套；24-固定导轨；25-仰俯转动选钮；26-水平面内转动选钮；27-图像采集与处理系统；28-精密升降架；29-工作台；30-六维调节架；31-竖直面内转动选；32-上下平动选钮；33-前后移动选钮；34-左右移动选钮；35-力电耦合加载装置。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式：
图1为本发明提供的力电耦合加载示意图，所述的力电耦合加载装置包括机械加载装置2，电加载装置3和力电耦合加载环境室1，所述的机械加载装置2包括主框架17和力传动与测量系统，所述的力电耦合加载环境室1设置在机械加载装置的主框架底部，所述的力电耦合加载环境室包括带有前表面视窗的油槽5，设置在油槽内的试件支撑结构，所述的试件支撑结构由支架8，设置在支架底部的两个支撑端7和两个自平衡弹簧片14组成，所述的两个自平衡弹簧片对称固定在支架侧壁上，其中一个自动弹簧片通过高压导线15与所述的电加载装置3的高压端连接，另一个自平衡弹簧片与地线16连接。为了便于加载、观察和图像采集同时进行，力电耦合加载环境室1的前表面视窗20选用特制的K9光学玻璃，为防止产生干涉的两束入射和反射光在透过该玻璃窗时有附加的光程差出现，厚度为12毫米的K9光学玻璃进行了高精度的双面抛光，达到表面平整度约小于0.5倍的氦氖激光器激光波长(632.8纳米)，即约300纳米。另外受载试件由于加载方式不同可设计不同形式的加载头，本发明说明书以三点弯力加载为例，两个支撑端7用环氧胶固定在试件底座8上给试件9提供反作用的支撑力，绝缘块11起到绝缘和传递载荷的作用。实验时在力电耦合加载环境室1中充满无色透明的二甲基硅油(型号为：1000CS)，硅油液面以淹没裸露的弹簧片14和加载头10为宜，以防止高压电弧放电伤害实验人员和破坏试件。在这里弹簧片14的作用是给试件两端传递电场载荷，同时加紧固定试件，因此，弹簧片须与试件两端紧密接触，所述的弹簧片采用厚度为100微米左右具有较好刚度和弹性的铜片。专利(2004100000050)中三点弯的加载系统只有加载头10，两个支撑端7构成，对于中间开缺口试件的对中问题，只能通过肉眼判断手动对中的方式加以解决。显然，手动对中带来的问题是对一批试件每次实验的人为误差都不尽相同，增加了实验结果的分散性，对实验结果规律性的探索增加了难度；而且手动对中试件并不方便，浪费较多的时间，实验效率低。而本发明在距两个支撑端7相同距离的位置固定同样性质同样尺寸的导电性能良好的薄的铜制自平衡弹簧片14(如图1所示)，通过选用合适弹性系数的薄铜弹簧片，给三点弯试件两端以均等的合适的压力(以增加的轴向压缩载荷与三点弯载荷相比可以忽略为宜)，由于试件与两端的弹簧片是以近似串联的方式连接，相等的压力(弹力)引起两端同等规格的弹簧片相同的变形，推动试件移动。因此，可以自动调节试件到中间位置，即达到试件自动对中的目的。并且在实验过程中，由于电场作用，试件会产生变形，这时仍旧需要试件保持对中性，由于自平衡弹簧片的作用，使得试件能够实时的平衡对中，从而保证实验精度。
所述的电加载装置3可选用商用的交直流高压电源，包括稳压电源、交流变压器、正直流升压器、负直流升压器、交直流高压电表。所述的电加载装置3通过高压导线15与一个自平衡弹簧片14连接，地线16与另一个自平衡弹簧片连接，这样电场加载装置3能给试件两端提供电载荷，自平衡弹簧片的预紧力使得试件两端有良好的电接触，根据需要实现给试件提供直流恒定和循环高压电载荷，从而可实现恒定的电加载、电场循环疲劳加载实验。
图2为本发明提供的机械加载装置2，所述的机械加载装置2包括主框架17和力传动与测量系统，所述的力传动与测量系统包括穿过主框架上壁的带凹槽导轨的螺杆13，设置在该螺杆上端的转动轮19，固定在转动轮上部的手动转盘18，设置在转动轮下部且固定在主框架上壁的限位套23，设置在螺杆下端的载荷传感器12，与载荷传感器相连的绝缘块11，以及与该绝缘块相连的加载头10。所述的手动转盘18套在转动轮19外部，手动转盘18内环制作螺纹，转动轮19内外环均有螺纹，手动转盘18和转动轮19螺纹配合，可实现同步转动；所述的带有凹槽导轨的螺杆13通过螺纹与转动轮19配合，导向销钉22的圆形滑块头与凹槽导轨配合。限位套23起限制转动轮19上下、左右、前后移动的作用，转动轮19可以相对限位套23转动。当需要机械加载时，顺时针旋转手动转盘18，带动转动轮19同步转动，带凹槽导轨的螺杆13在导向销钉22的滑块与光滑凹槽导轨的导向作用下而上下移动，从而利用测微丝杆机构将转动转换为平动，手动控制位移加载。
图3为本发明提供的力电耦合加载与三维全场变形测量系统结构示意图，该系统包括工作台29，安装在该工作台上的图像采集与处理系统27，六维调节架30，以及通过精密升降架28与工作台相连的三维干涉光路系统4，所述的图像采集与处理系统27和六维调节架分别布置在三维干涉光路系统的两侧，所述的电耦合加载与三维全场变形测量系统还包括力电耦合加载装置35，该机械加载装置通过其主框架17安装在六维调节架30上，六维调节架与图像采集与处理系统27分别在三维干涉光路系统4的左右两侧，安装在工作台29上，其中六维调节架30包括垂直上下平动选钮32、前后移动选钮33、左右移动选钮34、竖直面内转动选钮31、水平面内转动选钮26、仰俯转动选钮25。图4为图3的A-A面的局部剖面图，力电耦合加载系统和图像采集与处理系统27都可以利用燕尾槽21在与工作台29固定的导轨24上直线滑动，以调节其在工作台面上的前后方位。位置调节好后，可利用固定选钮6固定。通过六维调节架可以调节机械加载装置2和力电耦合加载环境室1满足云纹干涉和迈克耳逊干涉对试件位置的要求，满足达到准确定位。
下面简单介绍一下所述的三维干涉光路系统的内部光路：
激光器发出的光经过分光耦合器分为三路，其中测量u场位移的光路依次通过其中一个分光镜、u场开关控制器和u场光纤分束器后，分两路分别进入三维干涉光路系统中的两个激光耦合器和两个准直镜准直，经准直后再分别经反射镜反射后入射到试件表面；测量v场位移的光路依次通过另一个分光镜、v场开关控制器和v场光纤分束器后，分两路分别进入三维干涉光路系统中的另外两个激光耦合器，分别经两个反射镜和两个准直镜后，再分别经反射镜反射入射到试件表面；测量w场位移的光路依次通过w场开关控制器和w场光纤耦合器入射到三维干涉光路系统中的另一个准直镜后，经一分光棱镜后分为两束光，其中一束光直接透过该分光棱镜入射到一反射镜上，反射后再经该分光棱镜到达图像采集与处理系统27，另一光束经该分光棱镜反射后到达试件，经试件表面的光栅反射后穿过分光棱镜到达图像采集与处理系统27。
图像采集与处理系统27用来实时采集云纹图像。由CCD和具有水平和铅垂方向的三自由度固定支架组成。由CCD采集的图像直接输入计算机进行数据处理。下面简单介绍一下云纹干涉法面内变形测量过程：
测量时试件表面需要制作有全息光栅，频率为500线/毫米-3000线/毫米。当测量面内u场位移时(测量v场原理与u场位移相同)。将u场测量开关打开，激光束经干涉系统入射到试件9表面，并在试件栅表面发生衍射，两个±1级衍射光波相互干涉形成云纹条纹图，并成像在图像采集与处理系统27上。当测量离面位移时激光束经干涉系统里面的分光棱镜和反射镜后到达图像采集与处理系统27上作为参考光；另一光束经分光棱镜反射后到达试件9，经试件表面反射型光栅的镜面反射后透过分光棱镜到达图像采集与处理系统27，作为物光，两束光的迈克耳逊干涉图像由图像采集与处理系统27采集。
当应用电子散斑法进行测量时，可采用与云纹干涉面内位移和离面位移测量相同的光路，不同的是试件表面无需制作光栅。当测量面内位移时，两束准直光照射在试件9表面，在图像采集与处理系统27上形成散斑并实现电子散斑干涉，并获得实时面内位移的电子散斑干涉条纹场。当测量离面位移时，使用与泰曼/格林干涉相同的光路，应用计算机程序可以处理两散斑场的叠加，获得实时离面位移的电子散斑干涉条纹场。
关于三维干涉光路系统的内部光路及其测量方法在发明专利(申请号200410000005.0)中已经公开。
Claims (3)
1.一种力电耦合加载与三维全场变形测量系统，包括工作台(29)，安装在该工作台上的图像采集与处理系统(27)，六维调节架(30)，以及通过精密升降架(28)与工作台相连的三维干涉光路系统(4)，所述的图像采集与处理系统(27)和六维调节架分别布置在三维干涉光路系统的两侧，其特征在于：所述的电耦合加载与三维全场变形测量系统还包括力电耦合加载装置(35)，所述的力电耦合加载装置包括机械加载装置(2)，电加载装置(3)和力电耦合加载环境室(1)，所述的机械加载装置(2)包括主框架(17)和力传动与测量系统，该机械加载装置通过其主框架(17)安装在六维调节架(30)上，所述的力电耦合加载环境室(1)设置在机械加载装置的主框架底部，所述的力电耦合加载环境室包括带有前表面视窗(20)的油槽(5)，设置在油槽内的试件支撑结构，所述的试件支撑结构由支架(8)，设置在支架底部的两个支撑端(7)和两个自平衡弹簧片(14)组成，所述的两个自平衡弹簧片对称固定在支架侧壁上，其中一个自动弹簧片通过高压导线(15)与所述的电加载装置(3)的高压端连接，另一个自平衡弹簧片与地线(16)连接。
2.按照权利要求1所述的力电耦合加载与三维全场变形测量系统，其特征在于：所述的力传动与测量系统包括穿过主框架上壁的带凹槽导轨的螺杆(13)，设置在该螺杆上端转动轮(19)，固定在转动轮上部的手动转盘(18)，设置在转动轮下部且固定在主框架上壁的限位套(23)，设置在螺杆下端的载荷传感器(12)，与载荷传感器相连的绝缘块(11)，以及与该绝缘块相连的加载头(10)。
3.按照权利要求1所述的力电耦合加载与三维全场变形测量系统，其特征在于：所述的油槽前表面示窗(20)采用厚度为12毫米的K9光学玻璃。
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