CN109141710A - 一种压电陶瓷片应力测量方法及测量装置 - Google Patents

一种压电陶瓷片应力测量方法及测量装置 Download PDF

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孙艳玲
郭佳佳
刘宇刚
鲁振中
于文东
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Abstract

本发明涉及一种压电陶瓷片应力测量方法及测量装置，所述测量方法包括：调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力；根据所述第一接触压力和所述第二接触压力计算所述压电陶瓷片的应力值。所述测量装置包括电源、支撑杆、两个位移台、两个力传感器以及显示仪器。本发明的测量方法和测量装置通过力传感器测量不同加压或降压条件下所述压电陶瓷片两端的压力，从而能够获知所述压电陶瓷片本身的性能特点，装置成本低，便于准确、可靠地筛选性能良好的压电陶瓷片。

Description

一种压电陶瓷片应力测量方法及测量装置
技术领域
本发明属于压电陶瓷技术领域，具体涉及一种压电陶瓷片应力测量方法及测量装置。
背景技术
压电陶瓷的组成可在很宽的范围内变化，具有压电、铁电、热释电和电光等不同的性能。在一定的工艺条件下，压电陶瓷可以加工成透明陶瓷，因此在计算技术、显示技术、激光技术、全息存储、微声技术以及光电子学诸领域都有重要的应用前景。
压电陶瓷具有双向可逆效应，即正、逆压电效应，这使得压电陶瓷既可作传感元件又可作驱动元件。压电陶瓷具有在正向偏压条件下尺寸收缩、而在反向偏压条件下尺寸扩张的特性。通常的位移测量方法就是采用位移传感器在压电陶瓷片自由扩张或收缩状态下测量其形变尺寸。利用它的逆压电效应可以实现微位移控制，它具有体积小、推力大、精度及位移分辨力高等优点，且发热量小，不产生噪声，是理想的微位移传感器。
压电陶瓷片在实际应用中对其压电性能有较高的要求，目前仅依靠位移性能的测量来筛选性能好的压电陶瓷片，但使用中发现相同位移性能的压电陶瓷片装配在组件上后，整体性能有差别，难以准确衡量压电陶瓷片在组件使用环境下带负载能力。为了解决现有问题，急需一种能够高效、准确地分辨出压电陶瓷片性能好坏的测量手段。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种压电陶瓷片应力测量方法及测量装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个方面提供一种压电陶瓷片应力测量方法，包括：
调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力；
根据所述第一接触压力和所述第二接触压力计算所述压电陶瓷片的应力值。
在本发明的一个实施例中，调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力，包括：
向所述压电陶瓷元件施加120V-150V范围的正向电压，在120V-150V条件下测量第二接触压力；
将所述120V-150V的正向电压降至0V，在0V时测量第一接触压力。
在本发明的一个实施例中，调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力，包括：
向所述压电陶瓷元件施加120V-150V范围的正向电压，在120V-150V条件下测量第二接触压力；
将所述120V-150V的正向电压逐次降至0V，每次降压10-20V，并在0V时测量第一接触压力。
在本发明的一个实施例中，调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力，包括：
在向所述压电陶瓷元件施加电压之前，在未施加电压条件下测量第一接触压力；
向所述压电陶瓷元件施加120V-150V的正向电压，并在120V-150V条件下测量第二接触压力。
在本发明的一个实施例中，调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力，包括：
在向所述压电陶瓷元件施加电压之前，在未施加电压条件下测量第一接触压力；
向所述压电陶瓷元件施加正向电压，逐次加压至120V-150V，每次增大10-20V，在120V-150V条件下测量第二接触压力。
在本发明的一个实施例中，根据所述第一接触压力和所述第二接触压力计算所述压电陶瓷片的应力值，包括：
计算所述第一接触压力与所述第二接触压力的差值绝对值，将所述差值绝对值作为所述压电陶瓷片的应力值。
本发明的另一方面提供了一种压电陶瓷片应力测量装置，包括电源、支撑杆、两个位移台、两个力传感器、显示仪器，其中，
所述支撑杆垂直设置，用于放置待测的压电陶瓷片；
每个位移台分别对应设置于所述支撑杆的两侧，每个所述力传感器对应设置于一个所述位移台上，所述力传感器能够通过所述位移台的移动而与所述压电陶瓷片的两侧接触；
所述两个力传感器分别连接所述显示仪器。
在本发明的一个实施例中，所述位移台沿横向方向和纵向方向分别设置有带标尺的旋钮。
在本发明的一个实施例中，所述压电陶瓷片为圆环状，材料为PZT-5。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的压电陶瓷片应力测量方法通过两个力传感器测量不同加压或降压条件下所述压电陶瓷片相对两端的压力变化，从而能够获知所述压电陶瓷片本身的性能特点，便于准确、可靠地筛选性能良好的压电陶瓷片。
2、本发明压电陶瓷片应力测量装置包括电源、支撑杆、两个位移台、两个力传感器以及显示仪器，通过力传感器获取不同电压条件下压电陶瓷片的接触压力变化，得到所述压电陶瓷片的应力，其结构操作简单、成本低。
附图说明
图1是本发明实施例使用的一种压电陶瓷片模型的示意图；
图2a是两点约束条件下压电陶瓷片模型的应力分布图；
图2b是三点约束条件下压电陶瓷片模型的应力分布图；
图2c是四点约束条件下压电陶瓷片模型的应力分布图；
图2d是四周全约束条件下压电陶瓷片模型的应力分布图；
图3是压电陶瓷片模型在不同位移约束条件下的应力随外加载荷电压的变化曲线图；
图4是本发明实施例提供的压电陶瓷片应力测量方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的压电陶瓷片应力测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明内容做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1至图2d，图1是本发明实施例使用的一种压电陶瓷片模型的示意图；图2a至图2d分别是两点约束、三点约束、四点约束以及四周全约束压电陶瓷片模型的应力分布图，其中，两点约束是指在施加电压的过程中限制压电陶瓷片上相对两点处的位移，三点约束是指在施加电压的过程中限制压电陶瓷片上均匀分布的三点处的位移，四点约束是指在施加电压的过程中限制压电陶瓷片上均匀分布的四点处的位移，四周全约束是指在施加电压的过程中沿周向方向限制整个压电陶瓷片的位移。
在本实施例中，在实际测量之前，首先利用ANSYS软件模拟两点位移约束、三点位移约束、四点位移约束以及四周全约束对应力性能的影响，首先建立如图1所示的压电陶瓷圆环片模型，尺寸为Ф24×Ф5×0.4。在本实施例中，仿真的压电陶瓷片的材料选用PZT-5，单元类型为Solid5，材料密度为7750kg/m3。该压电陶瓷材料的介电矩阵、压电矩阵和刚度矩阵分别为[εs]PZT、[e]PZT和[cE]PZT，参数如下：
在压电陶瓷片四周改变不同的位移约束条件，包括两点位移约束、三点位移约束、四点位移约束以及四周位移全约束，随后分别在厚度方向上施加20v、40v、60v......120v载荷电压，得到不同位移约束条件下的应力分布，如图2a、图2b、图2c和图2d。
接着，请参见图3，图3是压电陶瓷片模型在不同位移约束条件下的应力随外加载荷电压的变化曲线图。如图可知，两点位移约束、三点位移约束、四点位移约束及四周全约束条件下应力与载荷电压均呈线性关系，而且约束点数越多，应力值越大，但是数值差别不大。由于实际测量中无法实现四周位移全约束，并且出于成本和测量效果考虑，本研究的实际测量过程选择两点位移约束法测试径向应力，即通过两个力传感器测试压电陶瓷片上的相对位置的两点处的应力。
请参见图4，图4是本发明实施例提供的压电陶瓷片应力测量方法的流程图。本发明实施例的压电陶瓷片应力测量方法包括：
S1：调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力；
具体地，将压电陶瓷片的正极连接至电源的正极，将压电陶瓷片的负极连接至电源的负极；在所述压电陶瓷片的相对两侧分别设置一个可调节的位移台；在所述位移台上分别设置一个力传感器；调节所述位移台，使得所述力传感器与所述压电陶瓷片接触。在本实施例中，实际测试中选取所述压电陶瓷片的材料为PZT-5，形状为圆环状，外径Ф24mm，内径Ф5mm，厚度0.4mm。
在本实施例中，可以采用四种施加电压的方式，即，(一)缓慢施加电压、(二)快速施加电压、(三)缓慢释放电压以及(四)快速释放电压，这四种施加电压的方式均可以获得所述压电陶瓷片的应力值。
对于(一)缓慢施加电压的方式，具体包括以下步骤：调节所述力传感器分别与所述压电陶瓷元件的接触位置，固定所述力传感器，并记录所述力传感器的第一读数作为第一接触压力；向所述压电陶瓷元件施加10V正向电压，待所述力传感器读数稳定后加压10V；每次加压10V，逐次加压至150V，在150V时记录所述力传感器得第二读数作为第二接触压力。
对于(二)快速施加电压的方式，具体包括以下步骤：调节所述力传感器与所述压电陶瓷元件的接触位置，固定所述力传感器，记录所述力传感器的第一读数作为第一接触压力；向所述压电陶瓷元件施加150V的正向电压，并记录所述力传感器得第二读数作为第二接触压力。
对于(三)缓慢释放电压的方式，具体包括以下步骤：向所述压电陶瓷元件施加150V的正向电压；调节所述力传感器与所述压电陶瓷元件的接触位置，记录所述力传感器的第一读数作为第二接触压力；将所述150V正向电压逐次降至0V，每次降压10V，记录0V时所述力传感器的第二读数作为第一接触压力。
对于(四)快速释放电压的方式，具体包括以下步骤：向所述压电陶瓷元件施加150V的正向电压；调节所述力传感器与所述压电陶瓷元件的接触位置，记录所述力传感器的第一读数作为第二接触压力；固定所述力传感器，将所述150V正向电压一次性降至0V，随后记录所述力传感器得第二读数作为第一接触压力。
S2：根据所述第一接触压力和所述第二接触压力计算所述压电陶瓷片的应力值。
具体地，将每种加压方法中得到的第一接触压力和第二接触压力求差值绝对值，将所述差值绝对值作为所述压电陶瓷片的应力值。
为了验证本实施例方法的准确性，在本实施例中，选取7组型号相同的压电陶瓷片进行测试，材料为PZT-5，形状为圆环状，外径Ф24mm，内径Ф5mm，厚度0.4mm。7组压电陶瓷片均采用(一)缓慢施加电压、(二)快速施加电压、(三)缓慢释放电压以及(四)快速释放电压方法重复测试三次，测试结果如下表一。结果表明：针对相同的压电陶瓷片试样，施加电压的方式不同，测量的结果有些许误差，逐次加电比一次性加电测量的数据大一些，但一次性加电随着次数的增加数值趋于稳定；施加电压方式比释放电压方式测量的数据大，但释放电压比施加电压方式数据更稳定。因此可以理解的是，针对本实施例所选取的压电陶瓷片，选择一次性释放电压方式来测量应力效果最佳，因此可以通过快速释放电压方式来准确地筛选性能好的压电陶瓷片。此外，应该理解的是，在其他实施例中，或者针对其他型号的压电陶瓷片，可能选择其他的施压方式可以得到更准确的结果。此外，参见表一，相同型号的不同压电陶瓷片试样的应力值是不同的，因此可以通过本实施例的方法测量应力值来筛选性能好的压电陶瓷片。
表一、相同型号压电陶瓷片的应力测量表
本发明的压电陶瓷片应力测量方法通过两个力传感器测量不同加压或降压条件下所述压电陶瓷片相对两端的压力变化，从而能够获知所述压电陶瓷片本身的性能特点，便于准确、可靠地筛选性能良好的压电陶瓷片。
实施例二
请参见图5，图5是本发明实施例提供的压电陶瓷片应力测量装置的结构示意图。本实施例的压电陶瓷片应力测量装置包括电源1、支撑杆2、两个位移台3、两个力传感器4以及显示仪器5，其中，支撑杆2垂直设置，用于放置待测的压电陶瓷片6；电源1的正极连接压电陶瓷片6的正极，电源1的负极连接压电陶瓷片6的负极；两个位移台3分别位于支撑杆2的两侧，两个力传感器4分别位于两个位移台3上并且能够通过位移台3的移动而与压电陶瓷片6的两侧接触；两个力传感器4分别连接显示仪器5。
在本实施例中，位移台3沿横向方向和纵向方向分别设置有带标尺(未示出)的旋钮7。通过调节旋钮7，位移台3能够在水平方向上移动，从而能够调节力传感器4与压电陶瓷片6的接触位置。
使用时，将待测量的压电陶瓷片6固定在支撑杆2的顶部；随后，将电源1的正极连接压电陶瓷片6的正极，电源1的负极连接压电陶瓷片6的负极，调整位移台3的位置，使得两个力传感器4分别与压电陶瓷片6的两侧接触，随后通过电源1向压电陶瓷片6施加电压，通过力传感器4获取压电陶瓷片6施压前后的应力值，所述测试结果通过显示仪器5显示，通过比较施压前后的读数即可获知该压电陶瓷片6的性能，从而便于准确、可靠地筛选性能良好的压电陶瓷片。
本发明压电陶瓷片应力测量装置包括电源、支撑杆、两个位移台、两个力传感器以及显示仪器，通过力传感器获取不同电压条件下压电陶瓷片的接触压力变化，得到所述压电陶瓷片的应力，其结构操作简单、成本低。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种压电陶瓷片应力测量方法，其特征在于，所述方法包括：
调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力；
根据所述第一接触压力和所述第二接触压力计算所述压电陶瓷片的应力值。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷片应力测量方法，其特征在于，调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力，包括：
向所述压电陶瓷元件施加120V-150V范围的正向电压，在120V-150V条件下测量第二接触压力；
将所述120V-150V的正向电压降至0V，在0V时测量第一接触压力。
3.根据权利要求1所述的压电陶瓷片应力测量方法，其特征在于，调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力，包括：
向所述压电陶瓷元件施加120V-150V范围的正向电压，在120V-150V条件下测量第二接触压力；
将所述120V-150V的正向电压逐次降至0V，每次降压10-20V，并在0V时测量第一接触压力。
4.根据权利要求1所述的压电陶瓷片应力测量方法，其特征在于，调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力，包括：
在向所述压电陶瓷元件施加电压之前，在未施加电压条件下测量第一接触压力；
向所述压电陶瓷元件施加120V-150V的正向电压，并在120V-150V条件下测量第二接触压力。
5.根据权利要求1所述的压电陶瓷片应力测量方法，其特征在于，调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压前的第一接触压力以及施加电压后的第二接触压力，包括：
在向所述压电陶瓷元件施加电压之前，在未施加电压条件下测量第一接触压力；
向所述压电陶瓷元件施加正向电压，逐次加压至120V-150V，每次增大10-20V，在120V-150V条件下测量第二接触压力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的压电陶瓷片应力测量方法，其特征在于，根据所述第一接触压力和所述第二接触压力计算所述压电陶瓷片的应力值，包括：
计算所述第一接触压力与所述第二接触压力的差值绝对值，将所述差值绝对值作为所述压电陶瓷片的应力值。
7.一种压电陶瓷片应力测量装置，其特征在于，包括电源(1)、支撑杆(2)、两个位移台(3)、两个力传感器(4)、显示仪器(5)，其中，
所述支撑杆(2)垂直设置，用于放置待测的压电陶瓷片(6)；
每个位移台(3)分别对应设置于所述支撑杆(2)的两侧，每个所述力传感器(4)对应设置于一个所述位移台(3)上，所述力传感器(4)能够通过所述位移台(3)的移动而与所述压电陶瓷片(6)的两侧接触；
所述两个力传感器(4)分别连接所述显示仪器(5)。
8.根据权利要求7所述的压电陶瓷片应力测量装置，其特征在于，所述位移台(3)沿横向方向和纵向方向分别设置有带标尺的旋钮(7)。
9.根据权利要求8所述的压电陶瓷片应力测量装置，其特征在于，所述压电陶瓷片(6)为圆环状，材料为PZT-5。
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