一种改进型压电陶瓷片应力测量方法及测量装置与流程

本发明属于压电陶瓷技术领域，具体涉及一种改进型压电陶瓷片应力测量方法及测量装置。

背景技术：

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、精度及位移分辨率高等优点，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。已有的应力测量方法及测量装置比较简单，测量结果相比理论差别较大，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。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种改进型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了一种改进型压电陶瓷片应力测量方法，所述方法包括：

s1：调节施加在压电陶瓷片上的电压，并获取施加电压条件下的第一接触压力和第一接触位移，以及未施加电压条件下的第二接触压力和第二接触位移；

s2：判断所述第一接触位移与所述第二接触位移的大小，并根据判断结果计算所述压电陶瓷片的应力值。

在本发明的一个实施例中，所述s1包括：

向所述压电陶瓷元件施加120v-150v范围的正向电压，测量120v-150v条件下的第一接触压力和第一接触位移；

将所述120v-150v的正向电压降低至0v，测量0v时的第二接触压力和第二接触位移。

在本发明的一个实施例中，所述s1包括：

向所述压电陶瓷元件施加120v-150v范围的正向电压，测量120v-150v条件下的第一接触压力和第一接触位移；

将所述120v-150v的正向电压逐次降压，每次降压10-20v，降至0v，测量0v时的第二接触压力和第二接触位移。

在本发明的一个实施例中，所述s1包括：

在向所述压电陶瓷元件施加电压之前，测量未施加电压条件下的第二接触压力和第二接触位移；

向所述压电陶瓷元件施加120v-150v的正向电压，并测量120v-150v条件下的第一接触压力和第一接触位移。

在本发明的一个实施例中，所述s1包括：

在向所述压电陶瓷元件施加电压之前，测量未施加电压条件下的第二接触压力和第二接触位移；

向所述压电陶瓷元件施加正向电压，每次升高10-20v，逐次加压至120v-150v，并测量120v-150v条件下的第一接触压力和第一接触位移。

在本发明的一个实施例中，所述s2包括：

s21：判断所述第一接触位移的数值与所述第二接触位移的数值是否相等；若相等，执行s22，若不相等，执行s23；

s22：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；

s23：调节力传感器的位置，使得所述第一接触位移与所述第二接触位移的数值相等，获取第三接触压力，并根据所述第一接触压力和所述第三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，所述s22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改进型压电陶瓷片应力测量装置，包括电源、支撑杆、第一位移台、第二位移台、第一力传感器、第一力传感器、力传感器显示仪器、第一位移传感器、第二位移传感器以及位移传感器显示仪器，其中，

所述支撑杆垂直于操作平台，用于放置待测的压电陶瓷片；

所述第一位移台和所述第二位移台所述分别设置在所述支撑杆的两侧；

所述第一力传感器设置在所述第一位移台上，所述第二力传感器设置在所述第二位移台上，所述第一力传感器和所述第二力传感器用于测试压电陶瓷片两侧的压力；

所述第一位移传感器设置在所述支撑杆与所述第一位移台之间，所述第二位移传感器设置在所述支撑杆与所述第二位移台之间，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器分别用于测试所述第一力传感器和所述第二力传感器的位移。

在本发明的一个实施例中，所述测量装置还包括力传感器显示仪器和位移传感器显示仪器，其中，所述第一力传感器和所述第二力传感器连接所述力传感器显示仪器；所述第一位移传感器和所述第二位移传感器连接所述位移传感器显示仪器。

在本发明的一个实施例中，所述第一位移台的相邻侧面上分别设置有带标尺的旋钮；所述第二位移台的相邻侧面上分别设置有带标尺的旋钮。

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，能够获知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设置有两个位移传感器，用于检测测试过程中系统是否发生偏移或变形，能够克服系统变形造成的测量误差，便于可靠地筛选性能良好的压电陶瓷片，且结构操作简单、成本低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的改进型压电陶瓷片应力测量方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的改进型压电陶瓷片应力测量方法的具体流程图；

图3是本发明实施例使用的一种压电陶瓷片模型的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种改进型压电陶瓷片应力测量装置的结构示意图。

附图标记如下：

1-电源；2-支撑杆；3-第一位移台；4-第二位移台；5-第一力传感器；6-第二力传感器；7-力传感器显示仪器；8-第一位移传感器；9-第二位移传感器；10-位移传感器显示仪器；11-压电陶瓷片；12-旋钮

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描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的改进型压电陶瓷片应力测量方法的流程图。本实施例的改进型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，并获取施加电压条件下的第一接触压力和第一接触位移，以及未施加电压条件下的第二接触压力和第二接触位移；

请参见图3，图3是本发明实施例使用的一种压电陶瓷片模型的结构示意图。在本实施例中，测试中选取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。具体地，将所述压电陶瓷片放置在支撑杆上，压电陶瓷片的正极连接至电源的正极，压电陶瓷片的负极连接至电源的负极。在压电陶瓷片的相对两侧分别设置一个可调节的位移台；在每个位移台上分别设置一个力传感器。此外，在支撑杆与每个位移台之间分别设置一个位移传感器。当调节位移台时，力传感器能够与压电陶瓷片接触，同时力传感器能够与位移传感器的触头接触。

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，具体过程以下：

调节位移台，使力传感器与压电陶瓷元件的接触，并且力传感器与位移传感器的触头接触，随后固定力传感器，并记录所述力传感器的第一读数作为第二接触压力，记录所述位移传感器的第一读数作为第二接触位移；

接着，向所述压电陶瓷元件施加10v的正向电压，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一接触压力，记录所述位移传感器的第二读数作为第一接触位移。

对于(二)快速施加电压的方式，具体过程以下：

调节位移台，使力传感器与压电陶瓷元件的接触，并且力传感器与位移传感器的触头接触，随后固定力传感器，并记录所述力传感器的第一读数作为第二接触压力，记录所述位移传感器的第一读数作为第二接触位移；

向压电陶瓷元件施加150v的正向电压，此时记录所述力传感器的第二读数作为第一接触压力，记录所述位移传感器的第二读数作为第一接触位移。

对于(三)缓慢释放电压的方式，具体过程以下：

向所述压电陶瓷元件施加150v的正向电压；

调节位移台，使力传感器与压电陶瓷元件的接触，并且力传感器与位移传感器的触头接触，随后固定所述力传感器，并记录所述力传感器的第一读数作为第一接触压力，记录所述位移传感器的第一读数作为第一接触位移；

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二接触压力，记录所述位移传感器的第二读数作为第二接触位移。

对于(四)快速释放电压的方式，具体过程以下：

向压电陶瓷元件施加150v的正向电压；

调节位移台，使力传感器与压电陶瓷元件的接触，并且力传感器与位移传感器的触头接触，随后固定所述力传感器，并记录所述力传感器的第一读数作为第一接触压力，记录所述位移传感器的第一读数作为第一接触位移；

将150v正向电压一次性降至0v，随后记录所述力传感器的第二读数作为第二接触压力，记录所述位移传感器的第二读数作为第二接触位移。

值得注意的是，上述四种施压方式均可以得到施压前后的接触压力值和接触位移值以用于下一步的计算过程，但是在实际测量中，由于客观因素及操作手法的问题，四种施压方式得到的结果准确性略有差异，因此，可以通过对比测试，选择一种较准确的方式进行实际测试。

s2：判断所述第一接触位移与所述第二接触位移的大小，并根据判断结果计算所述压电陶瓷片的应力值。

具体地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的改进型压电陶瓷片应力测量方法的具体流程图。如图所示，所述s2包括：

s21：判断所述第一接触位移的数值与所述第二接触位移的数值是否相等；若相等，执行s22，若不相等，执行s23；

s22：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；

在本实施例中，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。

s23：调节力传感器的位置，使得所述第一接触位移与所述第二接触位移的数值相等，获取第三接触压力，并根据所述第一接触压力和所述第三接触压力计算所述压电陶瓷片的应力值。

在本实施例中，通过调节力传感器的位置来使得第一接触位移与第二接触位移的数值相等，随后，调整后读取力传感器的读数作为第三接触压力。类似地，计算所述第一接触压力与所述第三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压电陶瓷片相对两端的压力变化，能够获取压电陶瓷片本身的性能特点，同时通过两个位移传感器检测测试过程中测量装置是否发生位置偏移或变形并进行调整，克服了系统变形或位置偏移造成的测量误差，因此能够准确地筛选性能良好的压电陶瓷片。

实施例二

请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种改进型压电陶瓷片应力测量装置的结构示意图。本实施例的改进型压电陶瓷片应力测量装置包括电源1、支撑杆2、第一位移台3、第二位移台4、第一力传感器5、第一力传感器6、力传感器显示仪器7、第一位移传感器8、第二位移传感器9以及位移传感器显示仪器10。支撑杆2垂直于操作平台，用于放置待测的压电陶瓷片11；第一位移台3和第二位移台4分别设置在支撑杆2的两侧；第一力传感器5设置在第一位移台3上，第二力传感器6设置在第二位移台4上，第一力传感器5和第二力传感器6能够分别通过第一位移台3和第一位移台4的移动而与压电陶瓷片6的两侧接触，用于测试压电陶瓷片11两侧的压力。

在实际测试过程中，由于一些主观或客观上的原因，测量装置内的部件可能会发生位置偏移或者变形，导致第一力传感器5和第二力传感器6的测试结果不准确，本实施例通过设置对称的第一位移传感器8和第二位移传感器9来解决偏移或者变形导致的测量误差。第一位移传感器8设置在支撑杆2与第一位移台3之间，第二位移传感器9设置在支撑杆2与第二位移台4之间，第一位移传感器8能够基于第一位移台3的移动而与第一力传感器5的侧面接触，第二位移传感器9能够基于第二位移台4的移动而与第二力传感器6的侧面接触，第一位移传感器8和第二位移传感器9分别用于测试第一力传感器5和第二力传感器6由于变形或位置偏移而导致的位移。在测试过程中，分别获取施加电压条件下的第一位移传感器8和第二位移传感器9的读数和未施加压力条件下第一位移传感器8和第二位移传感器9的读数，如果两次读数相等，则说明测试过程中测量装置未发生变形或偏移；若两次读数不相等，则说明测试该过程中测量装置发生了位置偏移或变形，此时需调节第一位移台3和第二位移台4的位置，使得第一位移传感器8和第二位移传感器9的两次读数相等，再重新确定第一力传感器5和第二力传感器6的读数，从而消除了位置偏移或变形造成的测量结果误差。进一步地，第一力传感器5和第二力传感器6分别连接力传感器显示仪器7，力传感器显示仪器7用于显示两个力传感器的读数；第一位移传感器8和第二位移传感器9分别连接位移传感器显示仪器10，位移传感器显示仪器10用于显示两个位移传感器的读数。

进一步地，在本实施例中，第一位移台3的相邻侧面上分别设置有带标尺的旋钮9，同样地，第二位移台4的相邻侧面上也分别设置有带标尺的旋钮9。通过转动旋钮9，位移台能够在水平面上沿相互垂直的两个方向移动，从而调节两个力传感器与压电陶瓷片11之间以及力传感器与对应的位移传感器之间的接触位置。

使用时，将待测压电陶瓷片11固定在支撑杆2的顶部，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，调整第一位移台3和第二位移台4的位置，使得第一力传感器5和第二力传感器6分别与压电陶瓷片11的两侧接触，同时第一位移传感器8的触头与第一力传感器5的侧面接触，第二位移传感器9的触头与第二力传感器6的侧面接触。随后向压电陶瓷片11施加电压，通过第一力传感器5和第二力传感器6获取压电陶瓷片11施压前后两侧的压力值，施压前后两个力传感器的读数分别显示在力传感器显示仪器5，同时通过第一位移传感器8和第二位移传感器8获取第一力传感器5和第二力传感器6的位移结果，显示在位移传感器显示仪器10。接着，判断施加电压前后，两次位移传感器的读数是否相等，如果相等，说明测试过程中力传感器或其他部件并未发生变形或者位置偏移，则通过比较施压前后力传感器的读数即可获知该压电陶瓷片11的性能，若施压前后位移结果不相等，则说明施压前后力传感器或其他相关部件发生了位置偏移或变形，此时调节第一力传感器5和第二力传感器6的位置，使得施压前后位移结果相等，随后再读取第一力传感器5和第二力传感器6的读数，采用新的读数进行计算，从而能够准确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设置有两个位移传感器，用于检测测试过程中系统是否发生位置偏移或变形，从而能够克服系统变形造成的测量误差，便于可靠地筛选性能良好的压电陶瓷片，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。