壓電薄膜機電特性試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及壓電材料測試領域，具體是一種壓電薄膜機電特性試驗裝置。
【背景技術】
[0002]目前針對壓電薄膜在不同載荷和頻率范圍內機電響應特性問題，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，通過將壓電薄膜和電阻應變片同時黏貼在懸臂梁上，利用激振器當懸臂梁以不同頻率振動時，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變儀和電阻應變片所測得懸臂梁在同一截面位置處動態(tài)應變做出比較。然而，由于電阻應變片頻響較低，此法只能適用于低頻范圍內壓電薄膜的壓電特性研究；并且無法獲得壓電薄膜的機械特性。二是采用霍普金森壓桿(SHPB)技術來研究壓電薄膜動態(tài)壓電特性，可獲得壓電薄膜的在動態(tài)響應下的壓電特性。但此法無法獲取壓電薄膜在連續(xù)頻率范圍的機電特性，也無法用以研究獲取材料的機械特性。三是通過萬能試驗機等研究其機械特性，可獲取其準靜態(tài)載荷下的壓電特性，但無法得到材料在不同頻率范圍內的機械特性。綜合現有試驗方法，均無法快速有效的同時實現壓電薄膜在不同載荷和頻率范圍內機械特性與壓電響應特性的研究。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種壓電薄膜機電特性試驗裝置，可以實現對0.1Hz?20KHz頻率范圍內的壓電薄膜的粘彈性模量和壓電模量的測量。
[0004]實現本發(fā)明目的的技術解決方案為:一種壓電薄膜機電特性試驗裝置，包括激振器、第一轉接件、夾具、電渦流傳感器、壓電力傳感器、第二轉接件、微調位移平臺、試驗框架、電荷放大器、前置器、金屬片、數據采集器和信號發(fā)生器；激振器固定在試驗框架底部，激振器與信號發(fā)生器連接，第一轉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接件上，電渦流傳感器設置在金屬片上方，金屬片固定在下夾具頂部，上夾具頂部設有壓電力傳感器，壓電力傳感器頂部設有第二轉接件，第二轉接件頂部設有微調位移平臺，微調位移平臺固定在試驗框架頂部；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據采集器連接。
[0005]上述第一轉接件由三個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有螺紋，直徑最大的圓柱體底面均勻分布至少2個腰形通孔，第一轉接件通過螺紋固定在激振器上。
[0006]上述第二轉接件的截面為U型，第二轉接件的U型底面中心開有螺紋通孔，壓電力傳感器設置在第二轉接件的U型底面上，其一端穿過第二轉接件的螺紋通孔，第二轉接件頂部固定在微調位移平臺上。
[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階和拉伸上夾具銅片，拉伸上夾具二階臺階的第一階臺階底面積大，第二階臺階底面積小，第二階臺階的一側側壁與第一階臺階的中心線重合，拉伸上夾具銅片固定在第二階臺階與第一階臺階的中心線重合的那側側壁，壓電力傳感器固定在拉伸上夾具二階臺階的第一階臺階上；拉伸下夾具包括拉伸下夾具二階臺階和拉伸下夾具銅片，拉伸上夾具二階臺階的第一階臺階底面積大，第二階臺階底面積小，第二階臺階的一側側壁與第一階臺階的中心線重合，拉伸下夾具銅片固定在第二階臺階與第一階臺階的中心線重合的那側側壁；拉伸上夾具二階臺階的第一階臺階的中心線與拉伸下夾具二階臺階的第一階臺階的中心線重合；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，拉伸下夾具的二階臺階固定在第一轉接件上。
[0009]上述拉伸上夾具二階臺階和拉伸下夾具二階臺階均由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截面積不同的柱體組成，截面積大的柱體頂面開有球形凹槽，柱體底面開有球形凹槽，鋼球設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，鋼球沿柱體和壓縮上夾具壓塊上的凹槽滾動；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)明與現有技術相比，其顯著優(yōu)點:(1)本發(fā)明壓電薄膜機電特性試驗裝置通過激振器可實現快速加載，通過壓電力傳感器、電渦流傳感器分別測量壓電薄膜受力和變形量的，通過夾具和電荷放大器可獲得壓電薄膜表面電壓，從而實現動態(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量，可實現同時研究壓電薄膜壓電特性與機械特性，試驗過程簡單易操作，高效準確。
[0013](2)本發(fā)明壓電薄膜機電特性試驗裝置包含兩套夾具，拉伸夾具和壓縮夾具，可實現對壓電薄膜材料不同方向的機電特性進行研究。
[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電特性。此外，可以獲得連續(xù)頻率范圍內穩(wěn)定的壓電薄膜表面產生的電荷、應變和加載力的試驗曲線，為壓電薄膜機電特性的研究提供了一種新的試驗手段。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明裝置的原理示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明裝置的結構示意圖。
[0017]圖3是第一轉接件的結構示意圖。
[0018]圖4是第二轉接件的結構示意圖。
[0019]圖5是拉伸夾具的結構示意圖。
[0020]圖6是壓縮夾具的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0022]實施例1
[0023]結合圖1和圖2，本發(fā)明為一種壓電薄膜機電特性試驗裝置，包括激振器1、第一轉接件2、夾具3、電渦流傳感器4、壓電力傳感器6、第二轉接件7、微調位移平臺8、試驗框架
9、電荷放大器10、前置器11、金屬片41、數據采集器12和信號發(fā)生器13。激振器I固定在試驗框架9底部，激振器I通過導線信號發(fā)生器13連接，第一轉接件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接件2上，電渦流傳感器4通過支架懸空設置在金屬片41的上方，金屬片41固定在下夾具頂部，上夾具頂部設有壓電力傳感器6，壓電力傳感器6頂部設有第二轉接件7，第二轉接件7頂部設有微調位移平臺8，微調位移平臺8通過螺紋固定在試驗框架9頂部內壁。作為待測件的壓電薄膜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均通過導線與電荷放大器10連接，電渦流傳感器4通過導線與前置器11連接，電荷放大器10和前置器11通過導線再與數據采集器12連接。
[0024]結合圖3，第一轉接件2由三個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有螺紋，直徑最大的圓柱體底面均勻分布4個腰形通孔，第一轉接件2通過螺紋固定在激振器I上。
[0025]結合圖4，第二轉接件7的截面為U型，第二轉接件7的U型底面中心開有螺紋通孔，壓電力傳感器6設置在第二轉接件7的U型底面上，其一端穿過第二轉接件7的螺紋通孔，第二轉接件7頂部固定在微調位移平臺8上。
[0026]一般情況下壓電薄膜5極薄，故在試驗過程中保證整套試驗裝置的對中性和垂直度非常重要，以避免材料扭曲，影響試驗效果。下夾具安裝在第一轉接件2，通過第一轉接件2上的腰形通孔可實現水平微調，保證上夾具與下夾具的對中性。通過微調位移平臺8(精度達0.0lmm)可實現高度微調，此外，微調位移平臺8還具有給壓電薄膜5施加預緊力的作用。
[0027]結合圖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，拉伸上夾具二階臺階31的第一階臺階底面積大，沿其中心開有螺紋孔，第二階臺階底面積小，第二階臺階的一側側壁與第一階臺階的中心線重合，拉伸上夾具銅片32通過螺栓固定在第二階臺階與第一階臺階的中心線重合的那側側壁。拉伸下夾具包括拉伸下夾具二階臺階33和拉伸下夾具銅片34，拉伸下夾具二階臺階33的第一階臺階底面積大，第二階臺階底面積小，第二階臺階的一側側壁與第一階臺階的中心線重合，拉伸下夾具銅片34通過螺栓固定在第二階臺階與第一階臺階的中心線重合的那側側壁。拉伸上夾具二階臺階31的第一階臺階的中心線與拉伸下夾具二階臺階33的第一階臺階的中心線重合。壓電力傳感器6通過螺栓固定在拉伸上夾具二階臺階31的第一階臺階的螺孔中，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階之間。拉伸下夾具的二階臺階33通過螺栓固定在第一轉接件2上。本發(fā)明設計的拉伸夾具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還充當引出壓電薄膜5表面電荷的電極，故安裝時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階31和拉伸下夾具二階臺階33使用，防止壓電薄膜兩表面短路。
[0028]通過信號發(fā)生器13給激振器1輸入激勵信號，激振器1帶動第一轉接件2和拉伸下夾具(包括拉伸下夾具二階臺階33和拉伸下夾具銅片34)振動，壓電薄膜5—端夾持在振動的拉伸下夾具之間，一端夾持在固定的上夾具之間，從而實現給壓電薄膜5施加動態(tài)加載力。壓電薄膜5受力表面產生電荷，通過拉伸上夾具銅片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，通過電荷放大器10轉換成電壓信號，最后通過數據采集器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，通過壓電力傳感器6實現壓電薄膜5所受動態(tài)力的測量。通過電渦流傳感器4測得拉伸下夾具的振動位移，從而獲得壓電薄膜5的變形量。上述動態(tài)力的加載、壓電薄膜5所受拉力測量、壓電薄膜5表面電壓測量以及壓電薄膜5變形量的測量均同步實現。通過獲得壓電薄膜5的所受拉力和其表面電壓可以得到其壓電模量，實現其壓電特性的研究；