CN204116467U - 一种路用压电元件压电效果系数测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种路用压电元件压电效果系数测试装置，包括振动平台，所述的振动平台包括振动台面和支撑腿，所述的支撑腿上安装有升降套筒，升降套筒上水平固定有支撑平台，支撑平台上放置有精密电子称；所述的压电元件的上表面和下表面分别引出一条导线与示波器相连，示波器用于监测压电元件产生的电压；通过施加在压电元件上的作用力对应的质量和压电元件产生的电压得到压电元件的压电效果系数。本实用新型可广泛用于道路工程行业内压电陶瓷、压电晶体等片状压电材料的压电效果系数测量，测试仪器简单，采用常用的电学设备搭配即可进行测试。

Description

一种路用压电元件压电效果系数测试装置

技术领域

本实用新型属于道路工程领域，涉及压电元件压电性能评价测试装置，具体涉及一种路用压电元件压电效果系数测试装置。

背景技术

我国境内道路每天承受着几亿甚至上百亿次的车辆荷载作用，路面结构在行车荷载的反复作用下发生形变-恢复、振动等状态变化，行车荷载转化为应变能和动能大量积存在路面内部，这些能量最终变换成热能或其他形式的能量，耗散在路面环境中，并对路面或者周围环境产生不良影响，比如车辙、热岛效应等。目前国内外关于发电路面的研究主要集中于将交通荷载产生的机械能转化为电能等并加以收集、利用，此项技术将废能再利用的同时可消除其产生的负面影响。

发电路面多采用压电发电技术，即将具有压电性能的元件置入沥青路面内部，汽车在路面上行驶时，路面材料挤压压电元件，其内部中的微晶体产生电荷，当数千个功能性材料或元件被置入沥青路面内部时，在行车荷载作用下便可产生巨大的电量。压电发电路面产生的电能可用于公路沿线交通设施的使用，同时可有效解决供电条件较差地区公路沿线交通设施供电难的问题，具有良好的经济效益和社会效益。

压电元件作为压电发电路面的核心部件，其在路面材料变形和受力约束下的压电性能的好坏对发电路面具有重要影响。常规的压电元件压电效果评价基于压电元件基础材料性能参数、压电元件结构性能参数和压电元件的尺寸厚度等指标。压电元件基础材料性能参数包括压电应变常数、压电电压常数和介电常数等。压电元件结构性能参数主要通过机电耦合系数K、品质因数Q、转换效率η等进行评价。压电元件性能效果与其形状尺寸等存在关系，而尺寸与厚度对压电元件的机械强度又有较大的影响。

传统的压电元件压电性能评价主要凭借原材料性能参数和结构性能参数等进行压电元件选择，但是此种方法影响因素较多，且存在交叉影响关系，评判标准不直观，与实际应用环境关联性较小，将其用于道路工程振动能量收集存在以下缺点：

(A)压电元件基础材料相关指标测试仪器昂贵，操作复杂，且大多只能对单一参数测试，而压电材料可参考指标较多，各参数间相互影响关系不能直观表征，评判标准不合理。

(B)压电元件的原材料性能受其加工工艺、极化条件等影响，其所制的的压电元件性能不一定良好。

(C)原材料性能参数、结构性能参数不能有效反应压电元件在路面内部的电能输出与荷载的关系，只能通过实验进行测试得到，对于科研人员的研究受到很大的限制。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种路用压电元件压电效果系数测试装置，克服现存的压电元件性能评价存在的缺陷，利用压电元件振动时电子称对其进行单向约束，使压电元件受力从而产生电能，借助电子称显示值测定出压电元件受到的外部荷载大小，最终获得荷载作用下压电元件产生的电压值与荷载的比值即为压电效果系数，评价压电元件在荷载作用下产生电能的强度。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种路用压电元件压电效果系数测试装置，包括振动平台，所述的振动平台包括振动台面和支撑腿，所述的每个支撑腿内加工有沉孔，沉孔内安装有钢簧的一端，钢簧的另一端固定在振动台面的底面上，钢簧用于支撑振动台面，钢簧在振动台面的压力作用下处于平衡状态时振动台面与支撑腿之间存在间隙，振动台面上安装有振子；

所述的支撑腿上安装有升降套筒，升降套筒上水平固定有支撑平台，支撑平台上放置有精密电子称；

所述的支撑平台上方的振动台面的侧壁上加工有嵌入槽，压电元件固定安装在嵌入槽内在振动台面的带动下振动，压电元件的底面上竖直固结有钢针的一端，在振动台面的未产生振动时，在升降套筒的调节下钢针的另一端与放置在精密电子称上的橡胶垫的顶面接触；支撑平台带动压电元件振动时精密电子称用于显示精密电子称通过钢针对压电元件施加的作用力对应的质量；

所述的压电元件的上表面和下表面分别引出一条导线与示波器相连，示波器用于监测压电元件产生的电压；通过施加在压电元件上的作用力对应的质量和压电元件产生的电压得到压电元件的压电效果系数。

本实用新型还具有如下区别技术特征：

所述的间隙的距离大于振子带动振动台面振动时的振幅，使得振动台面与支撑腿之间不发生碰撞。

所述的振子安装在振动台面底面的中间位置。

所述的嵌入槽上方的振动台面上安装有用于固定压电元件的紧固螺栓。

所述的升降套筒与支撑腿之间通过螺纹连接实现升降。

所述的橡胶垫的竖向弹性变形范围大于振动台面振动时的振幅。

所述的振子的振动频率范围为300Hz～500Hz。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

本实用新型可广泛用于道路工程行业内压电陶瓷、压电晶体等片状压电材料的压电效果系数测量，测试仪器简单，采用常用的电学设备搭配即可进行测试，压电效果系数可以直观的反应压电元件在荷载作用下产生电压值的大小，从宏观角度体现出压电元件的压电性能。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-振动平台，(1-1)-振动台面，(1-2)-支撑腿，(1-3)-沉孔，(1-4)-钢簧，(1-5)-间隙，(1-6)-振子，2-升降套筒，3-支撑平台，4-精密电子称，5-嵌入槽，6-压电元件，7-钢针，8-橡胶垫，9-示波器，10-紧固螺栓。

以下结合附图对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

本实用新型利用压电元件振动时电子称对其进行单向约束，使压电元件受力从而产生电能，借助电子称显示值测定出压电元件受到的外部荷载大小，最终获得荷载作用下压电元件产生的电压值与荷载的比值即为压电效果系数，评价压电元件在荷载作用下产生电能的强度。

压电效果系数K为：

$K=\frac{V}{\mathrm{Mg}}$

其中：V表示压电元件产生的电压值，由示波器测得，单位：伏特；

M表示电子称显示的质量值，单位：千克；

g为重力常数，g＝9.8N/Kg。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例给出一种路用压电元件压电效果系数测试装置，包括振动平台1，所述的振动平台1包括振动台面1-1和支撑腿1-2，所述的每个支撑腿1-2内加工有沉孔1-3，沉孔内安装有钢簧1-4的一端，钢簧1-4的另一端固定在振动台面1-1的底面上，钢簧1-4用于支撑振动台面1-1，钢簧1-4在振动台面1-1的压力作用下处于平衡状态时振动台面1-1与支撑腿1-2之间存在间隙1-5，振动台面1-1上安装有振子1-6；

所述的支撑腿1-2上安装有升降套筒2，升降套筒2上水平固定有支撑平台3，支撑平台3上放置有精密电子称4；

所述的支撑平台3上方的振动台面1-1的侧壁上加工有嵌入槽5，压电元件6固定安装在嵌入槽5内在振动台面1-1的带动下振动，压电元件6的底面上竖直固结有钢针7的一端，在振动台面1-1的未产生振动时，在升降套筒2的调节下钢针7的另一端与放置在精密电子称4上的橡胶垫8的顶面接触；支撑平台3带动压电元件6振动时精密电子称4用于显示精密电子称4通过钢针7对压电元件6施加的作用力对应的质量；

所述的压电元件6的上表面和下表面分别引出一条导线与示波器9相连，示波器9用于监测压电元件6产生的电压；通过施加在压电元件6上的作用力对应的质量和压电元件6产生的电压得到压电元件6的压电效果系数。

间隙1-5的距离大于振子1-6带动振动台面1-1振动时的振幅，使得振动台面1-1与支撑腿1-2之间不发生碰撞。

振子1-6安装在振动台面1-1底面的中间位置，使得振子1-6的振动均匀传递到振动台面1-1上。

嵌入槽5上方的振动台面1-1上安装有用于固定压电元件6的紧固螺栓10。

升降套筒2与支撑腿1-2之间通过螺纹连接实现升降。

橡胶垫8的竖向伸缩变形范围大于振动台面1-1振动时的振幅，使得橡胶垫8能够起到缓冲作用，吸收振动台面1-1产生的精密电子称4和压电元件6吸收不完的多余振幅。

振子1-6的振动频率范围为300Hz～500Hz，钢簧1-4的选择使得振动台面1-1的振幅控制在1mm范围内，模拟真实路面的行车情况，在振子1-6的的高频率振动下，精密电子称4称量的重量趋于稳定，示波器9监测的压电元件6产生的电压也趋于稳定。

本实用新型的使用方法如下所述：

步骤一，将压电元件6插入嵌入槽5中，转动紧固螺栓10以固定压电元件6，上下调节升降套筒2使固结在压电元件6表面的钢针的下端与放置在精密电子称4上的橡胶垫8的顶面临界接触；

步骤二，检查确定压电元件6上表面和下表面引出的导线与示波器9紧密相连，并开启示波器9，调整相关旋钮以清晰显示电压值V，同时打开精密电子秤4后进行清零，消除橡胶垫8质量的影响。

步骤三，启动振子1-6带动振动平台1产生高频振动，记录压电元件10产生电压的强度V和压电元件10受到电子称7的反向约束力Mg，利用公式计算压电元件的压电效果系数。

测试实例：按照以上步骤实施相关调节测试工作，调整振子1-6的工作频率保持在450Hz，记录示波器9的平稳电压值为32V，记录精密电子称4显示值为1.34Kg，则Mg＝1.34Kg×9.8N/Kg＝13.132N，K＝V/Mg＝32/13.312＝2.40V/N，即该压电元件压电效果系数为K＝2.40V/N。

本实用新型测量得到的压电元件的压电效果系数用来评价录用的压电元件，为压电元件的评价提供了一个统一的标准，K值越大，表示压电元件的压电效果越好，克服现有技术中压电元件压电性能评价主要凭借原材料性能参数和结构性能参数等进行压电元件选择，效果推测的不直观，不确定性，缺乏统一标准的缺陷。

Claims (7)

1.一种路用压电元件压电效果系数测试装置，其特征在于：包括振动平台(1)，所述的振动平台(1)包括振动台面(1-1)和支撑腿(1-2)，每个所述的支撑腿(1-2)内加工有沉孔(1-3)，沉孔内安装有钢簧(1-4)的一端，钢簧(1-4)的另一端固定在振动台面(1-1)的底面上，钢簧(1-4)用于支撑振动台面(1-1)，钢簧(1-4)在振动台面(1-1)的压力作用下处于平衡状态时振动台面(1-1)与支撑腿(1-2)之间存在间隙(1-5)，振动台面(1-1)上安装有振子(1-6)； 

所述的支撑腿(1-2)上安装有升降套筒(2)，升降套筒(2)上水平固定有支撑平台(3)，支撑平台(3)上放置有精密电子称(4)； 

所述的支撑平台(3)上方的振动台面(1-1)的侧壁上加工有嵌入槽(5)，压电元件(6)固定安装在嵌入槽(5)内在振动台面(1-1)的带动下振动，压电元件(6)的底面上竖直固结有钢针(7)的一端，在振动台面(1-1)未产生振动时，在升降套筒(2)的调节下钢针(7)的另一端与放置在精密电子称(4)上的橡胶垫(8)的顶面接触；支撑平台(3)带动压电元件(6)振动时精密电子称(4)用于显示精密电子称(4)通过钢针(7)对压电元件(6)施加的作用力对应的质量； 

所述的压电元件(6)的上表面和下表面分别引出一条导线与示波器(9)相连，示波器(9)用于监测压电元件(6)产生的电压；通过施加在压电元件(6)上的作用力对应的质量和压电元件(6)产生的电压得到压电元件(6)的压电效果系数。 

2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述的间隙(1-5)的距离大于振子(1-6)带动振动台面(1-1)振动时的振幅，使得振动台面(1-1) 与支撑腿(1-2)之间不发生碰撞。 

3.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述的振子(1-6)安装在振动台面(1-1)底面的中间位置。 

4.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述的嵌入槽(5)上方的振动台面(1-1)上安装有用于固定压电元件(6)的紧固螺栓(10)。 

5.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述的升降套筒(2)与支撑腿(1-2)之间通过螺纹连接实现升降。 

6.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述的橡胶垫(8)的竖向弹性变形范围大于振动台面(1-1)振动时的振幅。 

7.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述的振子(1-6)的振动频率范围为300Hz～500Hz。