壓電薄膜機(jī)電特性試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及壓電材料測(cè)試領(lǐng)域，具體是一種壓電薄膜機(jī)電特性試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前針對(duì)壓電薄膜在不同載荷和頻率范圍內(nèi)機(jī)電響應(yīng)特性問(wèn)題，研究有以下幾種研究手段:一是采用懸臂梁研究其壓電特性，通過(guò)將壓電薄膜和電阻應(yīng)變片同時(shí)黏貼在懸臂梁上，利用激振器當(dāng)懸臂梁以不同頻率振動(dòng)時(shí)，采用電荷放大器與壓電薄膜組合而成傳感器輸出的電壓與應(yīng)變儀和電阻應(yīng)變片所測(cè)得懸臂梁在同一截面位置處動(dòng)態(tài)應(yīng)變做出比較。然而，由于電阻應(yīng)變片頻響較低，此法只能適用于低頻范圍內(nèi)壓電薄膜的壓電特性研究；并且無(wú)法獲得壓電薄膜的機(jī)械特性。二是采用霍普金森壓桿(SHPB)技術(shù)來(lái)研究壓電薄膜動(dòng)態(tài)壓電特性，可獲得壓電薄膜的在動(dòng)態(tài)響應(yīng)下的壓電特性。但此法無(wú)法獲取壓電薄膜在連續(xù)頻率范圍的機(jī)電特性，也無(wú)法用以研究獲取材料的機(jī)械特性。三是通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等研究其機(jī)械特性，可獲取其準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的壓電特性，但無(wú)法得到材料在不同頻率范圍內(nèi)的機(jī)械特性。綜合現(xiàn)有試驗(yàn)方法，均無(wú)法快速有效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓電薄膜在不同載荷和頻率范圍內(nèi)機(jī)械特性與壓電響應(yīng)特性的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種壓電薄膜機(jī)電特性試驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)0.1Hz?20KHz頻率范圍內(nèi)的壓電薄膜的粘彈性模量和壓電模量的測(cè)量。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種壓電薄膜機(jī)電特性試驗(yàn)裝置，包括激振器、第一轉(zhuǎn)接件、夾具、電渦流傳感器、壓電力傳感器、第二轉(zhuǎn)接件、微調(diào)位移平臺(tái)、試驗(yàn)框架、電荷放大器、前置器、金屬片、數(shù)據(jù)采集器和信號(hào)發(fā)生器；激振器固定在試驗(yàn)框架底部，激振器與信號(hào)發(fā)生器連接，第一轉(zhuǎn)接件固定在激振器頂部，夾具包括上夾具和下夾具，下夾具固定在第一轉(zhuǎn)接件上，電渦流傳感器設(shè)置在金屬片上方，金屬片固定在下夾具頂部，上夾具頂部設(shè)有壓電力傳感器，壓電力傳感器頂部設(shè)有第二轉(zhuǎn)接件，第二轉(zhuǎn)接件頂部設(shè)有微調(diào)位移平臺(tái)，微調(diào)位移平臺(tái)固定在試驗(yàn)框架頂部；壓電力傳感器與電荷放大器連接，電渦流傳感器與前置器連接，電荷放大器和前置器再與數(shù)據(jù)采集器連接。
[0005]上述第一轉(zhuǎn)接件由三個(gè)直徑不同的圓柱體連接組成，圓柱體半徑依次減小，直徑最小的圓柱體外壁設(shè)有螺紋，直徑最大的圓柱體底面均勻分布至少2個(gè)腰形通孔，第一轉(zhuǎn)接件通過(guò)螺紋固定在激振器上。
[0006]上述第二轉(zhuǎn)接件的截面為U型，第二轉(zhuǎn)接件的U型底面中心開(kāi)有螺紋通孔，壓電力傳感器設(shè)置在第二轉(zhuǎn)接件的U型底面上，其一端穿過(guò)第二轉(zhuǎn)接件的螺紋通孔，第二轉(zhuǎn)接件頂部固定在微調(diào)位移平臺(tái)上。
[0007]上述夾具為拉伸夾具或壓縮夾具。
[0008]上述拉伸夾具包括拉伸上夾具和拉伸下夾具，拉伸上夾具包括拉伸上夾具二階臺(tái)階和拉伸上夾具銅片，拉伸上夾具二階臺(tái)階的第一階臺(tái)階底面積大，第二階臺(tái)階底面積小，第二階臺(tái)階的一側(cè)側(cè)壁與第一階臺(tái)階的中心線重合，拉伸上夾具銅片固定在第二階臺(tái)階與第一階臺(tái)階的中心線重合的那側(cè)側(cè)壁，壓電力傳感器固定在拉伸上夾具二階臺(tái)階的第一階臺(tái)階上；拉伸下夾具包括拉伸下夾具二階臺(tái)階和拉伸下夾具銅片，拉伸上夾具二階臺(tái)階的第一階臺(tái)階底面積大，第二階臺(tái)階底面積小，第二階臺(tái)階的一側(cè)側(cè)壁與第一階臺(tái)階的中心線重合，拉伸下夾具銅片固定在第二階臺(tái)階與第一階臺(tái)階的中心線重合的那側(cè)側(cè)壁；拉伸上夾具二階臺(tái)階的第一階臺(tái)階的中心線與拉伸下夾具二階臺(tái)階的第一階臺(tái)階的中心線重合；拉伸上夾具銅片和拉伸下夾具銅片位于拉伸夾具中垂線兩側(cè)，拉伸下夾具的二階臺(tái)階固定在第一轉(zhuǎn)接件上。
[0009]上述拉伸上夾具二階臺(tái)階和拉伸下夾具二階臺(tái)階均由PMMA制成。
[0010]上述壓縮夾具包括壓縮上夾具和壓縮下夾具，壓縮上夾具和壓縮下夾具中垂線重合，壓縮上夾具包括柱體、鋼球和壓縮上夾具壓塊；壓縮上夾具壓塊由兩個(gè)截面積不同的柱體組成，截面積大的柱體頂面開(kāi)有球形凹槽，柱體底面開(kāi)有球形凹槽，鋼球設(shè)置在柱體和壓縮上夾具壓塊之間，將柱體和壓縮上夾具壓塊隔開(kāi)，鋼球沿柱體和壓縮上夾具壓塊上的凹槽滾動(dòng)；壓縮下夾具包括矩形塊和壓縮下夾具壓塊，壓縮下夾具壓塊由三個(gè)截面積不同的柱體組成，截面積最大的柱體分別與其他兩個(gè)柱體連接，截面積小的圓柱體固定在矩形塊中心；壓電力傳感器固定在柱體的頂部中心；壓縮下夾具的矩形塊固定在第一轉(zhuǎn)接件上。
[0011]上述柱體和矩形塊均由PMMA制成，柱體為棱柱或圓柱體，壓縮上夾具壓塊和壓縮下夾具壓塊均為銅制。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):(1)本發(fā)明壓電薄膜機(jī)電特性試驗(yàn)裝置通過(guò)激振器可實(shí)現(xiàn)快速加載，通過(guò)壓電力傳感器、電渦流傳感器分別測(cè)量壓電薄膜受力和變形量的，通過(guò)夾具和電荷放大器可獲得壓電薄膜表面電壓，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)力的快速加載及壓電薄膜所受加載力、變形量及其表面電壓的同步測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)研究壓電薄膜壓電特性與機(jī)械特性，試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，高效準(zhǔn)確。
[0013](2)本發(fā)明壓電薄膜機(jī)電特性試驗(yàn)裝置包含兩套夾具，拉伸夾具和壓縮夾具，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電薄膜材料不同方向的機(jī)電特性進(jìn)行研究。
[0014](3)本裝置采用激振器和壓電傳感器以及電渦流傳感器可以獲得壓電薄膜在較寬頻率范圍的機(jī)電特性。此外，可以獲得連續(xù)頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定的壓電薄膜表面產(chǎn)生的電荷、應(yīng)變和加載力的試驗(yàn)曲線，為壓電薄膜機(jī)電特性的研究提供了一種新的試驗(yàn)手段。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明裝置的原理示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是第一轉(zhuǎn)接件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4是第二轉(zhuǎn)接件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5是拉伸夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖6是壓縮夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0022]實(shí)施例1
[0023]結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明為一種壓電薄膜機(jī)電特性試驗(yàn)裝置，包括激振器1、第一轉(zhuǎn)接件2、夾具3、電渦流傳感器4、壓電力傳感器6、第二轉(zhuǎn)接件7、微調(diào)位移平臺(tái)8、試驗(yàn)框架
9、電荷放大器10、前置器11、金屬片41、數(shù)據(jù)采集器12和信號(hào)發(fā)生器13。激振器I固定在試驗(yàn)框架9底部，激振器I通過(guò)導(dǎo)線信號(hào)發(fā)生器13連接，第一轉(zhuǎn)接件2固定在激振器I頂部，夾具3包括上夾具和下夾具，下夾具固定在第一轉(zhuǎn)接件2上，電渦流傳感器4通過(guò)支架懸空設(shè)置在金屬片41的上方，金屬片41固定在下夾具頂部，上夾具頂部設(shè)有壓電力傳感器6，壓電力傳感器6頂部設(shè)有第二轉(zhuǎn)接件7，第二轉(zhuǎn)接件7頂部設(shè)有微調(diào)位移平臺(tái)8，微調(diào)位移平臺(tái)8通過(guò)螺紋固定在試驗(yàn)框架9頂部?jī)?nèi)壁。作為待測(cè)件的壓電薄膜5固定在上夾具和下夾具之間，壓電薄膜5和壓電力傳感器6均通過(guò)導(dǎo)線與電荷放大器10連接，電渦流傳感器4通過(guò)導(dǎo)線與前置器11連接，電荷放大器10和前置器11通過(guò)導(dǎo)線再與數(shù)據(jù)采集器12連接。
[0024]結(jié)合圖3，第一轉(zhuǎn)接件2由三個(gè)直徑不同的圓柱體連接組成，圓柱體半徑依次減小，直徑最小的圓柱體外壁設(shè)有螺紋，直徑最大的圓柱體底面均勻分布4個(gè)腰形通孔，第一轉(zhuǎn)接件2通過(guò)螺紋固定在激振器I上。
[0025]結(jié)合圖4，第二轉(zhuǎn)接件7的截面為U型，第二轉(zhuǎn)接件7的U型底面中心開(kāi)有螺紋通孔，壓電力傳感器6設(shè)置在第二轉(zhuǎn)接件7的U型底面上，其一端穿過(guò)第二轉(zhuǎn)接件7的螺紋通孔，第二轉(zhuǎn)接件7頂部固定在微調(diào)位移平臺(tái)8上。
[0026]一般情況下壓電薄膜5極薄，故在試驗(yàn)過(guò)程中保證整套試驗(yàn)裝置的對(duì)中性和垂直度非常重要，以避免材料扭曲，影響試驗(yàn)效果。下夾具安裝在第一轉(zhuǎn)接件2，通過(guò)第一轉(zhuǎn)接件2上的腰形通孔可實(shí)現(xiàn)水平微調(diào)，保證上夾具與下夾具的對(duì)中性。通過(guò)微調(diào)位移平臺(tái)8(精度達(dá)0.0lmm)可實(shí)現(xiàn)高度微調(diào)，此外，微調(diào)位移平臺(tái)8還具有給壓電薄膜5施加預(yù)緊力的作用。
[0027]結(jié)合圖5，夾具3為拉伸夾具。拉伸夾具包括拉伸上夾具和拉伸下夾具，拉伸上夾具包括由絕緣的聚甲基丙烯酸酯(PMMA)制成的拉伸上夾具二階臺(tái)階31和拉伸上夾具銅片32，拉伸上夾具銅片32為矩形，拉伸上夾具二階臺(tái)階31的第一階臺(tái)階底面積大，沿其中心開(kāi)有螺紋孔，第二階臺(tái)階底面積小，第二階臺(tái)階的一側(cè)側(cè)壁與第一階臺(tái)階的中心線重合，拉伸上夾具銅片32通過(guò)螺栓固定在第二階臺(tái)階與第一階臺(tái)階的中心線重合的那側(cè)側(cè)壁。拉伸下夾具包括拉伸下夾具二階臺(tái)階33和拉伸下夾具銅片34，拉伸下夾具二階臺(tái)階33的第一階臺(tái)階底面積大，第二階臺(tái)階底面積小，第二階臺(tái)階的一側(cè)側(cè)壁與第一階臺(tái)階的中心線重合，拉伸下夾具銅片34通過(guò)螺栓固定在第二階臺(tái)階與第一階臺(tái)階的中心線重合的那側(cè)側(cè)壁。拉伸上夾具二階臺(tái)階31的第一階臺(tái)階的中心線與拉伸下夾具二階臺(tái)階33的第一階臺(tái)階的中心線重合。壓電力傳感器6通過(guò)螺栓固定在拉伸上夾具二階臺(tái)階31的第一階臺(tái)階的螺孔中，壓電薄膜5兩端分別夾在上夾具和下夾具的銅片與二階臺(tái)階之間。拉伸下夾具的二階臺(tái)階33通過(guò)螺栓固定在第一轉(zhuǎn)接件2上。本發(fā)明設(shè)計(jì)的拉伸夾具3除了具有夾持壓電薄膜的功能，拉伸夾具3中的拉伸上夾具銅片32和拉伸下夾具銅片34還充當(dāng)引出壓電薄膜5表面電荷的電極，故安裝時(shí)需保證拉伸上夾具銅片32和拉伸下夾具銅片34分別與壓電薄膜5的不同兩表面接觸，并配合PMMA制成的拉伸上夾具二階臺(tái)階31和拉伸下夾具二階臺(tái)階33使用，防止壓電薄膜兩表面短路。
[0028]通過(guò)信號(hào)發(fā)生器13給激振器1輸入激勵(lì)信號(hào)，激振器1帶動(dòng)第一轉(zhuǎn)接件2和拉伸下夾具(包括拉伸下夾具二階臺(tái)階33和拉伸下夾具銅片34)振動(dòng)，壓電薄膜5—端夾持在振動(dòng)的拉伸下夾具之間，一端夾持在固定的上夾具之間，從而實(shí)現(xiàn)給壓電薄膜5施加動(dòng)態(tài)加載力。壓電薄膜5受力表面產(chǎn)生電荷，通過(guò)拉伸上夾具銅片32和拉伸下夾具銅片34引出壓電薄膜5兩表面電荷并輸入到電荷放大器10，通過(guò)電荷放大器10轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)采集器12采集其兩表面電壓。夾持壓電薄膜5 —端的拉伸上夾具(包括拉伸上夾具二階臺(tái)階31和拉伸上夾具銅片32)上端與壓電力傳感器6連接，通過(guò)壓電力傳感器6實(shí)現(xiàn)壓電薄膜5所受動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。通過(guò)電渦流傳感器4測(cè)得拉伸下夾具的振動(dòng)位移，從而獲得壓電薄膜5的變形量。上述動(dòng)態(tài)力的加載、壓電薄膜5所受拉力測(cè)量、壓電薄膜5表面電壓測(cè)量以及壓電薄膜5變形量的測(cè)量均同步實(shí)現(xiàn)。通過(guò)獲得壓電薄膜5的所受拉力和其表面電壓可以得到其壓電模量，實(shí)現(xiàn)其壓電特性的研究；