CN111912705A - 静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种静动态力‑电‑热耦合压电材料综合性能测试仪器，属于精密科学仪器领域。变形测试单元利用调整手臂和手动微调平台使电容位移传感器和测量板之间保持一定间隙，使传感器处于测量量程范围内，能够准确测出由压电材料产生的微小变形；压电测试腔利用高压接线端子、铜电极、电热棒和热电偶为试样提供可调节的电‑热测试环境；静动态加载单元为试样施加静动态载荷；通过力‑电‑热耦合测试能够获取材料在不同载荷、温度下的重要性能参数及曲线，包括压电系数、介电常数、柔度系数电滞回线、电致伸缩曲线、应力‑应变曲线等。优点在于：可以实现力‑电‑热耦合环境下压电材料重要物理性能的测试，对压电材料本构关系的研究有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及电材料性能测试和精密科学仪器领域，特别涉及一种针对压电材料性能进行测试的静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器。可以施加静态压缩载荷和高频动态压缩载荷，并同时提供强度可调节的电场和高温实验环境，实现压电材料在载荷-电场-温度多物理场耦合环境下电学特性和力学性能的综合测试。
背景技术
压电、铁电材料存在复杂的非线性本构关系，大量试验表明压电材料的基本力学性能和电学性能会受到电场、温度场和外载荷影响，在应用压电材料时，需要考虑其性能参数在不同环境下的差异性。目前，现有的压电材料性能测试装置仅支持单一参数或特征曲线进行的测量，同时无法对被测试样施加力学载荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器，解决了现有技术存在的上述问题。本发明能够实现多场耦合作用下的压电材料性能测试。可以检测压电材料在不同应力和不同温度下压电系数、介电常数，电滞回线和电致伸缩曲线等电学特性，以及柔度系数、应力-应变曲线等力学性能。本发明能够对被测压电材料构建力-电-热多场耦合的测试环境，不仅针对其电学测量进行测试，还能够获取其力学性能，其构建环境复杂，测量参数丰富，对于研究压电材料非线性本构具有重大意义。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器，包括变形测量单元01、压电测试腔02、静动态加载单元03，所述压电测试腔02安装在静动态加载单元03的加载单元底板0313上，变形测量单元01的电容位移传感器0107与压电测试腔02的测量板0201相对应且具有间隙；压电测试腔02和静动态加载单元03为压电试样提供静动态力-电-热耦合的实验环境，通过变形测量单元01精确测定实验中被测压电材料的变形；通过变形测量单元01的伺服电机0103对试样施加静态的压缩载荷，构建压电材料的初始应力状态；通过静动态加载单元03的压电叠堆0311对试样施加动态压缩载荷，进行压电材料柔度系数的动态测量；通过压电测试腔02的高压接线端子0213和铜电极0207对试样施加测试所需的电场，测量压电材料的压电系数和介电常数；通过压电测试腔02的电热棒0210、加热圆筒件0214内的硅油提供实验所需的高温环境。
所述的变形测量单元1整体采用立式结构，通过调整臂0103和手动微调平台0105调节电容位移传感器0107和测量板0201之间的间隙，使传感器处于测量量程范围内，精确测得压电材料试样的变形。
所述的压电测试腔2的两个高压接线端子0213通过铜叉0215将电压接入铜电极0207，为被测试样提供强度可控的电场环境；通过电热棒0210加热圆筒件0214内的硅油介质，利用热电偶0205测得的温度实现腔内试验温度的闭环控制。
所述的压电测试腔2是：测量板0201固定到加载柱0203上，加载柱0203通过滑动轴承0202安装在测试腔盖0206上，测试腔盖0206上装有热电偶0205和网线接口0204；整个测试腔盖0206通过螺栓安装于加热圆筒件0214上，加热圆筒件0214装有石英玻璃观测窗0208、电热棒0210、高压接线端子0213、排油阀0212，其中电热棒0210对加热圆筒件0214内的硅油进行加热，高压接线端子0213通过铜叉0215和铜电极0207为被测试样提供可调节强度的电场实验环境；装有承载座0209的底板0211通过螺栓装在加热圆筒件0214上。
所述的静动态加载单元3的伺服电机0301驱动丝杠螺母副0303和L形加载臂0308垂直运动，通过加载头0312为被测试样施加静态压缩载荷；同时柔性铰链0310通过力传感器0309固定在L型臂0308上，压电叠堆0311通过柔性铰链0310驱动加载头0312产生高频振动，对试样施加动态压缩载荷，实现对压电材料的静动态加载。
所述的静动态加载单元3是：安装有行星减速器的伺服电机0301，通过丝杠支撑座0302安装于加载单元底板0313上，伺服电机0301驱动丝杠螺母副0303转动，将丝杠的旋转运动转换为直线运动，通过螺母座0306带动滑座0307直线运动；滑座0307安装在滑块0305上，与之配合安装的直线导轨0304起导向作用；加载时，滑座0307带动与之固连的L型臂0308向下运动，载荷通过力传感器0309、压电叠堆0311的柔性铰链0310传递至加载头0312向试样施加压缩载荷。
本发明的有益效果在于：本发明可提供静动态加载的实验环境。可以施加静态压缩载荷和高频动态压缩载荷，可控的电场和高温，实现静动态力-电-热耦合的测试环境。在多场耦合环境下获得压电材料的重要性能参数和特性曲线，包括柔度系数、压电系数、介电常数，应力-应变曲线、电滞回线和电致伸缩曲线等。可以实现力-电-热耦合环境下压电材料重要物理性能的测试，对压电材料本构关系的研究有重要意义。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的变形测量单元的结构示意图；
图3为本发明的压电测试腔的装配示意图；
图4为本发明的压电测试腔的剖视示意图；
图5为本发明的静动态加载单元的装配示意图。
图中：01、变形测量单元；0101、立式测量座；0102、手轮；0103、调整臂；0104、连接件；0105、手动微调平台；0106、传感器支座；0107、电容位移传感器；02、压电测试腔；0201、测量板；0202、滑动轴承；0203、加载柱；0204、网线接口；0205、热电偶；0206、测试腔盖；0207、铜电极；0208、石英玻璃观测窗；0209、承载座；0210、电热棒；0211、底板；0212、排油阀；0213、高压接线端子；0214、加热圆筒件；0215、铜叉；03、静动态加载单元；0301、伺服电机；0302、丝杠支撑座；0303、丝杠螺母副；0304、直线导轨；0305、滑块；0306、螺母座；0307、滑座；0308、L型臂；0309、力传感器；0310、柔性铰链；0311、压电叠堆；0312、加载头；0313、加载单元底板；0314、铝型材；0315、角码。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本发明的静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器，包括变形测试单元、压电测试腔、静动态加载单元。变形测试单元利用调整手臂和手动微调平台使电容位移传感器和测量板之间保持一定间隙，使传感器处于测量量程范围内，能够准确测出由压电材料产生的微小变形；压电测试利用高压接线端子、铜电极、电热棒和热电偶为试样提供可调节的电-热测试环境； 静动态加载单元利用伺服电机和压电叠堆，为试样施加静动态载荷；通过力-电-热耦合测试能够获取材料在不同载荷、温度下的重要性能参数及曲线，包括压电系数、介电常数、柔度系数电滞回线、电致伸缩曲线、应力-应变曲线等。本发明可以实现力-电-热耦合环境下压电材料重要物理性能的测试，对压电材料本构关系的研究有重要意义。
参见图1所示，本发明所述的静动态力-电-热耦合材料性能测试仪器，可以根据试验要求为压电试样提供静动态力-电-热耦合的多场耦合环境。用于检测压电材料在不同压缩载荷、不同温度下的压电系数、介电常数、电滞回线和电致伸缩曲线等电学特性，以及柔度系数、应力-应变曲线等力学性能。包括变形测量单元01、压电测试腔02、静动态加载单元03，其中变形测量单元01的电容位移传感器0107和测量板0201保持一定间隙，使传感器处于测量量程范围内，可以精确测得被测试样变形。此外材料的变形还可以用粘贴在试样表面的应变片测量，仪器留有网线接口0204，将应变片测量数据接入到外置的测量***中；压电测试腔02的两个高压接线端子0213为被测试样提供电场强度为E的电场实验环境，通过Sawyer-tower 回路测量电极化强度P，进而可计算材料的电滞回线和介电常数，配合电容位移传感器0107测得的变形，可以获取材料的电致伸缩曲线和压电系数；另外通过电热棒0210、加热圆筒件0214内的硅油、热电偶0205测量环境温度，实现腔内温度的闭环控制；在力-电-热耦合环境下测量压电材料在特定压力、温度下的电滞回线、电致伸缩曲线等电学特性；同时测量应力-应变曲线等力学性能；静动态加载单元03可以对被测试样施加静态压缩载荷，以模拟其所受到的预应力，同时施加高频动态载荷，以测量其柔度系数。其中静态载荷由伺服电机0301驱动丝杠螺母副0303加载，动态载荷由压电叠堆0311驱动柔性铰链0310实现加载。
通过力传感器0309测得试样所受压缩载荷，计算材料的应力σ。通过电容位移传感器0107或是粘贴在试样表面的应变片测量材料的应变ε；通过 Sawyer-tower 回路测量电极化强度P；用与高压接线端子0213相连接的外置高压放大器可得电场强度E。通过上述测量可以获取压电材料在特定压力、温度下的应力-应变曲线（σ-ε）、电滞回线（P-E）、和电致伸缩曲线（λ-E）等特征性能曲线，并计算压电系数、介电常数、柔度系数等重要性能参数。
参见图2所示，本发明的变形测量单元01立式测量座0101、手轮0102、调整臂0103、连接件0104、手动微调平台0105、传感器支座0106、电容位移传感器0107，所述调整臂0103安装在立式测量座0101的上部并通过手轮0102旋紧固定；电容位移传感器0107安装在传感器支座0106上，传感器支座0106通过连接件0104固定在调整臂0103上，手动微调平台0105安装在连接件0104的侧面。变形测量单元1采用立式测量座0101，通过旋转手轮0102来调节调整臂0103使得传感器支座0106和测量板0201之间具有合适的距离，然后利用连接件0104上的手动微调平台0105调整电容位移传感器0107和测量板0201之间的间隙，使传感器处于量程范围内，通过测量板0201的位移间接测量试样变形。
参见图3所示，本发明的压电测试腔02为压电材料测试提供强度可控的电场和温度可控的高温环境，包括：测量板0201、滑动轴承0202、加载柱0203、网线接口0204、热电偶0205、测试腔盖0206、铜电极0207、观测窗0208、承载座0209、电热棒0210、底板0211、排油阀0212、高压接线端子0213、加热圆筒件0214、铜叉0215，所述测量板0201通过螺栓固定到加载柱0203上，加载柱0203通过滑动轴承0202安装在测试腔盖0206上，滑动轴承0202起导向作用使得加载柱0203能够沿垂直方向运动。测试腔盖0206上开有为测试腔添加硅油的孔并装有热电偶0205和网线接口0204。热电偶0205用于确定测试腔内的温度，网线接口0204用于连接应变片与外置应变仪，测量被测试样应变。整个测试腔盖0206通过螺栓安装于加热圆筒件0214上，加热圆筒件0214装有方形的石英玻璃观测窗0208用于观察测试腔内部情况。加热圆筒件0214内装有硅油，以防止测试过程中的高压放电，试验结束后利用排油阀0212把硅油排出。加热圆筒件0214上装有电热棒0210、高压接线端子0213、排油阀0212，其中电热棒0210用于加热硅油，高压接线端子0213通过铜叉0215和铜电极0207为被测试样提供可调节强度的电场实验环境，排油阀0212则在试验结束以后用于排出硅油。装有承载座0209的底板0211通过螺栓装在加热圆筒件0214上。
参见图3所示，本发明的静动态加载单元03包括：伺服电机0301、丝杠支撑座0302、丝杠螺母副0303、直线导轨0304、滑块0305、螺母座0306、滑座0307、L型臂0308、力传感器0309、柔性铰链0310、压电叠堆0311、加载头0312、加载单元底板0313、铝型材0314、角码0315，通过加载头0312施加在测量板0201上的静动态载荷，通过用螺栓相连接的加载柱0203滑动轴承传递到铜电极0207夹具上，然后经被测试样把载荷传递到承载座0209上，进而传递到由螺栓连接的底板0211上，当被测试样发生变形时，同样会经由铜电极0207夹具、加载柱0203、传递到测量板0201上，通过与测量板0201相接触的电容位移传感器0107测得被测试样的变形。
参见图5所示，本发明的静动态加载单元03安装有行星减速器的伺服电机0301，通过丝杠支撑座0302安装于加载单元底板0313上驱动丝杠螺母副0303转动，将丝杠的旋转运动转换为直线运动，通过螺母座0306带动滑座0307直线运动。滑座0307通过螺钉安装于滑块0305上，与之配合安装的直线导轨0304起导向作用。加载时，滑座0307带动与之固连的L型臂0308向下运动，载荷通过力传感器0309、压电叠堆0311的柔性铰链0310传递至加载头0312向试样施加压缩载荷。
所述的加载单元底板0313由铝型材0314和角码0315装配而成，用于承载压电测试腔和静动态加载单元。工作时压电叠堆0311输出的高频压缩载荷，通过加载头0312施加在被测试样上，对被测材料进行动态性能测试。通过力传感器0309得到压缩载荷大小，然后由与应变片相连的应变仪读出应变，进而求出压电材料的柔度系数。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器，其特征在于：包括变形测量单元（01）、压电测试腔（02）、静动态加载单元（03），所述压电测试腔（02）安装在静动态加载单元（03）的加载单元底板（0313）上，变形测量单元（01）的电容位移传感器（0107）与压电测试腔（02）的测量板（0201）相对应且具有间隙；压电测试腔（02）和静动态加载单元（03）为压电试样提供静动态力-电-热耦合的实验环境，通过变形测量单元（01）精确测定实验中被测压电材料的变形；通过变形测量单元（01）的伺服电机（0103）对试样施加静态的压缩载荷，构建压电材料的初始应力状态；通过静动态加载单元（03）的压电叠堆（0311）对试样施加动态压缩载荷，进行压电材料柔度系数的动态测量；通过压电测试腔（02）的高压接线端子（0213）和铜电极（0207）对试样施加测试所需的电场，测量压电材料的压电系数和介电常数；通过压电测试腔（02）的电热棒（0210）、加热圆筒件（0214）内的硅油提供实验所需的高温环境。
2.根据权利要求1所述的静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器，其特征在于：所述的变形测量单元（01）整体采用立式结构，通过调整臂（0103）和手动微调平台（0105）调节电容位移传感器（0107）和测量板（0201）之间的间隙，使传感器处于测量量程范围内，精确测得被压电材料试样的变形。
3.根据权利要求1所述的静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器，其特征在于：所述的压电测试腔（02）的两个高压接线端子（0213）通过铜叉（0215）将电压接入铜电极（0207），为被测试样提供强度可控的电场环境；通过电热棒（0210）加热圆筒件（0214）内的硅油介质，利用热电偶（0205）测得的温度实现腔内试验温度的闭环控制。
4.根据权利要求1或3所述的静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器，其特征在于：所述的压电测试腔（02）是：测量板（0201）固定到加载柱（0203）上，加载柱（0203）通过滑动轴承（0202）安装在测试腔盖（0206）上，测试腔盖（0206）上装有热电偶（0205）和网线接口（0204）；整个测试腔盖（0206）通过螺栓安装于加热圆筒件（0214）上，加热圆筒件（0214）装有石英玻璃观测窗（0208）、电热棒（0210）、高压接线端子（0213）、排油阀（0212），其中电热棒（0210）对加热圆筒件（0214）内的硅油进行加热，高压接线端子（0213）通过铜叉（0215）和铜电极（0207）为被测试样提供可调节强度的电场实验环境；装有承载座（0209）的底板（0211）通过螺栓装在加热圆筒件（0214）上。
5.根据权利要求1所述的静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器，其特征在于：所述的静动态加载单元（03）的伺服电机（0301）驱动丝杠螺母副（0303）和L形加载臂（0308）垂直运动，通过加载头（0312）为被测试样施加静态压缩载荷；同时柔性铰链（0310）通过力传感器（0309）固定在L型臂（0308）上，压电叠堆（0311）通过柔性铰链（0310）驱动加载头（0312）产生高频振动，对试样施加动态压缩载荷，实现对压电材料的静动态加载。
6.根据权利要求1或5所述的静动态力-电-热耦合压电材料综合性能测试仪器，其特征在于：所述的静动态加载单元（03）是：安装有行星减速器的伺服电机（0301），通过丝杠支撑座（0302）安装于加载单元底板（0313）上，伺服电机（0301）驱动丝杠螺母副（0303）转动，将丝杠的旋转运动转换为直线运动，通过螺母座（0306）带动滑座（0307）直线运动；滑座（0307）安装在滑块（0305）上，与之配合安装的直线导轨（0304）起导向作用；加载时，滑座（0307）带动与之固连的L型臂（0308）向下运动，载荷通过力传感器（0309）、压电叠堆（0311）的柔性铰链（0310）传递至加载头（0312）向试样施加压缩载荷。
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