专利名称：非线性压电微能源采集器的微力加载测试方法
非线性压电微能源采集器的微力加载测试方法技术领域
本发明属于测试技术领域，特别涉及非线性压电微能源采集器的微力加载和测试ο背景技术
现有的化学电池容量有限，在工作中需要不断的更换耗尽的电池，难以满足无线传感网络的发展需求。随着微型器件的功耗逐渐降低，利用环境振动能为其提供能源将成为一种新型的能源形式。压电能源采集器利用压电材料的机电耦合特性收集环境振动能源，具有寿命长、能源密度高等优点，常见的压电能源采集器主要是基于线性振动原理，典型的结构是末端安装质量块的压电悬臂梁，其尺寸多为几十毫米到几十厘米。然而基于非线性原理的压电能源采集器，具有展频和输出电荷大等特性。非线性压电能源采集器的主要结构是以压电悬臂梁作为振动能源收集的基本单元，两个永磁体分别布置于压电悬臂梁的末端和同极相对位置，受激振的压电悬臂梁非线性振动。其中永磁体的作用是(1) 作为压电悬臂梁的末端质量块，能够大幅度降低压电悬臂梁的固有频率，使之适合于低频 O-IOOOHz的振动环境。( 两个永磁体之间的排斥力导致的非线性振动特性，能够改善系统的频率来实现展频特性和提高压电能源采集器的输出电压。
随着微机电系统的发展和微型器件功耗的进一步降低，另一种MEMS压电微能源采集器开始受到关注。2010年，意大利的B Ando在文献“Nonlinear mechanism in MEMS devices for energy harvesting applications [J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 20 (2010)，125020 (12pp) · ”中提到，已经基于SOI硅片加工出非线性压电微能源采集器，其尺寸为长度2000微米、宽度800微米、厚度15微米，当两个微永磁体间距大约为1. 7毫米时具有非线性双稳态现象。基于微机电加工工艺制作的非线性压电微能源采集器，尺寸可以在1毫米或者几毫米范围内，两个微永磁体分别布置在压电微悬臂梁的末端和同极性相对位置，微永磁体三维尺寸均小于1mm，压电微能源采集器受到的微排斥力在零到几百毫牛以内。通过改变微永磁体的间距，在给非线性压电微能源采集器加载微排斥力时，非线性压电微能源采集器结构中的压电微悬臂梁会发生弯曲变形，由于微排斥力很小，微力加载过程中很容易折断压电微悬臂梁，准确加载和测试微排斥力比较困难。
在专利申请号为20071001275. 5名称为“压电薄膜悬臂梁式微力传感器的微力加载装置”中，该加载装置不适用于非线性压电微能源采集器的微力加载测试，主要原因有 1、在非线性压电微能源采集器中，压电微悬臂梁末端的微永磁体，使得探针针尖与悬臂梁表面无法正常接触，而且在接触式微力加载过程中，探针会在样片表面发生滑动，容易损伤样片；2.由于压电双晶片微力发生器弯曲变形的影响，误差较大；3.不能在非线性压电微能源采集器的轴向方向加载微力。发明内容
本发明要解决的技术难题是克服目前技术存在的接触式微力加载装置的一些缺点，找到一种非接触微力加载测试的方法，特别要适合用于非线性压电微能源采集器的微力加载测试。整个加载装置利用微米级的微位移来传递微力，两个微永磁体之间的位移减小，导致两微永磁体之间产生毫牛顿级的微排斥力，同时利用高精度电子天平实现微力的测试。解决了非线性压电微能源采集器的毫牛顿级微力加载测试问题，使其不仅精度高，微力加载稳定性能好，而且操作简便，容易精确控制微力加载的幅度，不易损坏样片。
本发明采用的技术方案是一种非线性压电微能源采集器的微力加载测试方法，非接触微力加载测试方法分三种方式，分别为当换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I竖直Z向布置时，压电微能源采集器I的Z向微排斥力加载测试；当换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I水平X向布置时，压电微能源采集器I 的Z向微排斥力加载测试；压电微能梁采集器I的等效刚度测试；测试方法具体步骤如下
①当换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I竖直Z向布置时， 压电微能源采集器I的Z向微排斥力加载测试
第一步搭建装置，换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I依次由上至下竖直Z向布置，槽形的换向连接件6通过螺栓5连接在整体式多轴位移台4的下端，压电陶瓷叠堆致动器8与换向连接件6通过粘结剂7固接，连接件10通过粘结剂9固定在压电陶瓷叠堆致动器8上，压电微能源采集器I的基底1通过粘结剂11固定在连接件 10上，微永磁体A的N极指向负Z轴方向，将微永磁体B通过粘结剂12固定在垫块13上， 微永磁体B的N极指向正Z轴方向，将垫块13固定在电子天平14上；
第二步微力加载测试，分别调节整体式多轴位移台4的X轴、Y轴、Z轴的千分尺， 使微永磁体A和微永磁体B竖直共线，两者之间的距离为20-25毫米，其次，调节整体式多轴位移台4的Z轴的千分尺，使压电微能源采集器I向负Z轴方向移动，步进是10微米，当微永磁体A和微永磁体B之间的距离达2. 5毫米时，暂停调节整体式多轴位移台4的Z轴的千分尺，改用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器8，使压电微能源采集器I向负 Z方向移动，步进1微米。与此同时，通过电子天平14测试微永磁体B所受到的微排斥力大小，即压电微能源采集器I的Z向微排斥力大小。
②当换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I水平X向布置时， 压电微能源采集器I的Z向微排斥力加载测试
第一步搭建装置，换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I依次由右至左水平X向布置，槽形的换向连接件6通过螺栓5连接在整体式多轴位移台4的下端，压电陶瓷叠堆致动器8与换向连接件6通过粘结剂7固接，微永磁体B通过粘结剂17 固定在压电陶瓷叠堆致动器8上，永磁体B的N极性指向负X轴方向，压电微能源采集器I 的基底1通过粘结剂18固定在垫块13上，微永磁体A的N极性指向正X轴方向，将垫块13 固定在电子天平14上；
第二步微力加载测试，分别调节整体式多轴位移台4的X轴、Y轴、Z轴的千分尺， 使微永磁体A和微永磁体B水平共线，两者之间的距离为20-25毫米，其次，调节整体式多轴位移台4的X轴的千分尺，使微永磁体B向负X轴方向移动，步进是10微米，当微永磁体 A和微永磁体B之间的距离达2. 5毫米时，暂停调节整体式多轴位移台4的X轴向的千分尺，改用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器8，使微永磁体B向负X轴方向移动，步进1微米，与此同时，通过电子天平14测试压电微能源采集器I所受的Z向微排斥力大小。
③压电微能梁采集器I的等效刚度测试
第一步搭建装置，换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8依次由上至下竖直Z向布置，压电微能源采集器I水平X向布置。换向连接件6通过螺栓5连接在整体式多轴位移台4的下端，压电陶瓷叠堆致动器8与换向连接件6通过粘结剂7固接，连接件20通过粘结剂19固定在压电陶瓷叠堆致动器8上，将微永磁体B通过粘结剂21固定在连接件20上， 永磁体B的N极性指向负Z轴方向，压电微能源采集器I的基底1通过粘结剂22固定在垫块13上，压电微能源采集器I的末端微永磁体A的N极指向正Z轴方向，垫块13固定在电子天平14上；
第二步微力加载测试并获得微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线，分别调节整体式多轴位移台4的X轴、Y轴、Z轴的千分尺，使微永磁体A和微永磁体B竖直共线， 并且两者之间的距离为20-25毫米，调节整体式多轴位移台4的Z轴的千分尺，使压电微能源采集器I向负Z轴方向移动，步进是10微米，当微永磁体A和微永磁体B之间的距离达 2. 5毫米时，暂停调节整体式多轴位移台4的Z轴的千分尺，改用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器8，使压电微能源采集器I向负Z方向移动，步进1微米，与此同时，通过电子天平14测试压电微能源采集器I所受的Z向微排斥力大小，绘制出微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线图。
第三步等效刚度k测试，分别调节整体式多轴位移台4的X轴、Y轴、Z轴的千分尺，使微永磁体A和微永磁体B竖直共线，调节整体式多轴位移台4的Z轴的千分尺，使微永磁体B向负Z轴移动，微永磁体A和微永磁体B两者之间的距离为20毫米，记为X0，采用 Z轴的千分尺或(和)压电陶瓷驱动电源驱动压电陶瓷叠堆致动器8移动，得到微永磁体B 在Z轴向的位移XI，由于微永磁体A和微永磁体B之间微排斥力的存在，压电微能梁采集器I发生弯曲，末端微永磁体A的位移记为X，此时微永磁体A和微永磁体B之间的距离记为X2，电子天平14测试此时的微排斥力大小为F，由第二步得到的微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线图找出X2值，微永磁体A的Z轴方向位移X = X1+X2-X0，压电微能梁采集器I的等效刚度计算式为k = F/X。
本发明的有益效果是可以测试压电微能源采集器的等效刚度；可以以1微米的步进来调节微永磁体A和微永磁体B之间的间距，在压电微能源采集器弯曲变形的条件下， 精确测试两个微永磁体之间的微排斥力；还可以作为一种非接触的激振方式，采用压电陶瓷叠堆致动器作为激振源，用于驱动压电微能源采集器振动。
附图1为非线性压电微能源采集器主视图。其中1-基底，2-粘合剂，3-粘合剂， A-微永磁体A，B-微永磁体B，C-电极C，D-电极D，I-压电微能源采集器。
附图2为基底的E-E截面图。其中a-硅层，b-二氧化硅层，C-底电极层，d-压电材料层，e-上电极层，f"绝缘层。
附图3为Z向微排斥力加载测试图。其中Z-空间坐标轴Z轴，X-空间坐标轴X 轴，I-压电微能源采集器I，l-基底，2-粘合剂，C-电极C，D-电极D，4-整体式多轴位移台，5-螺栓，6-换向连接件，7-粘合剂，8-压电陶瓷叠堆致动器，G-电极G，F-电极F，9-粘合剂，10-连接件，11-粘合剂，A-微永磁体A，B-微永磁体B, 12-粘合剂，13-垫块，14-电子天平，15-减震台，16-有机玻璃罩。
附图4为Z向微排斥力加载测试图。其中Z-空间坐标轴Z轴，X-空间坐标轴X 轴，I-压电微能源采集器I，1-基底，2-粘合剂，C-电极C，D-电极D，4-整体式多轴位移台， 5-螺栓，6-换向连接件，7-粘合剂，8-压电陶瓷叠堆致动器，G-电极G，F-电极F，17-粘合剂，A-微永磁体A，B-微永磁体B, 18-粘合剂，13-垫块，14-电子天平，15-减震台，16-有机玻璃罩。
附图5为压电微能源采集器的等效刚度测试图。其中Z-空间坐标轴Z轴，X-空间坐标轴X轴，I-压电微能源采集器，1-基底，2-粘合剂，C-电极C，D-电极D，4-整体式多轴位移台，5-螺栓，6-换向连接件，7-粘合剂，8-压电陶瓷叠堆致动器，G-电极G，F-电极F，19-粘合剂，20-连接件，21-粘合剂，A-微永磁体A，B-微永磁体B，22-粘合剂，13-垫块，14-电子天平，15-减震台，16-有机玻璃罩。
附图6为整体式多轴位移台的俯视图。其中.X-空间坐标轴X轴，Y-空间坐标轴 Y轴。
附图7为微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线图。其中纵坐标为微排斥力，单位为毫牛顿mN，横坐标为微永磁体间距，单位为微米μ m。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施。非接触微力加载测试方法分三种方式，分别为当换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I竖直Z向布置时，压电微能源采集器I的Z向微排斥力加载测试；当换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I水平X向布置时，压电微能源采集器I的Z向微排斥力加载测试；压电微能源采集器I的等效刚度测试。微力加载测试时，将所有的器件整合后固定在减震台上，并用有机玻璃罩罩住装置。
如附图1所示的非线性压电微能源采集器主视图，只有当微永磁体A和微永磁体 B之间产生相互作用的微排斥力时，才具有振动非线性特性，称之为非线性压电微能源采集器I，压电微能源采集器I包括基底1，粘合剂2，微永磁体A，电极C和电极D ；基底1的E-E 截面，由下至上分别为硅层a，二氧化硅层b，底电极层c，压电材料层d，上电极层e和绝缘层f，如图2所示。压电微能源采集器I的长度范围为1500微米到3000微米，宽度范围为 500微米到800微米，其中压电微悬臂梁的厚度范围为15微米到25微米。
首先，采用微机电加工工艺加工出基底1，本例中，基底1是一个压电微悬臂梁，长度为3000微米，宽度为800微米，厚度为25微米，截面E-E中，由下至上分别为硅层a、二氧化硅层b、底电极层C、压电材料层d、上电极层e和绝缘层f，如图2所示。选用的永磁体材料为钕铁硼，极化方向的长度为800微米，采用划片机将永磁体切割成微永磁体A和微永磁体B，微永磁体A和微永磁体B为正方体，长宽高尺寸均为800微米。采用低粘度粘合剂将基底1和微永磁体A粘结，组合成如图1中所示的压电微能源采集器I。微力加载测试时， 将所有的器件整合后固定在减震台15上，并用有机玻璃罩16罩住装置，整个装置适合在固定温度和湿度的超洁净室工作。
①当换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I竖直Z向布置时， 压电微能源采集器I的Z向微排斥力加载测试
第一步搭建装置，如附图3所示，换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I竖直依次由上至下竖直Z向布置，槽形的换向连接件6通过螺栓5连接在整体式多轴位移台4下端，压电陶瓷叠堆致动器8与换向连接件6通过粘结剂7固接，连接件10 通过粘结剂9固定在压电陶瓷叠堆致动器8上，压电微能源采集器I的基底1通过粘结剂 11固定在连接件10上，微永磁体A的N极指向负Z轴方向，将微永磁体B通过粘结剂12固定在垫块13上，微永磁体B的N极指向正Z轴方向，将垫块13固定在电子天平14上；
第二步微力加载测试，分别调节整体式多轴位移台4的X轴、Y轴、Z轴的千分尺， 使微永磁体A和微永磁体B竖直共线，并且两者之间的距离为20-25毫米。其次，调节整体式多轴位移台4的Z轴的千分尺，使压电微能源采集器I向负Z轴方向移动，步进是10微米，当微永磁体A和微永磁体B之间的距离达2. 5毫米时，暂停调节整体式多轴位移台4的 Z轴的千分尺，改用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器8，使压电微能源采集器I 向负Z方向移动，步进1微米。与此同时，通过电子天平14测试微永磁体B所受到的微排斥力大小，即压电微能源采集器I的Z向微排斥力大小。
②当换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I水平X向布置时， 压电微能源采集器I的Z向微排斥力加载测试
第一步搭建装置，如附图4所示，换向连接件6、压电陶瓷叠堆致动器8、压电微能源采集器I依次由右至左水平X向布置，槽形的换向连接件6通过内螺栓5连接在整体式多轴位移台4下端，压电陶瓷叠堆致动器8与换向连接件6通过粘结剂7固接，微永磁体B 通过粘结剂17固定在压电陶瓷叠堆致动器8上，永磁体B的N极性指向负X轴方向，压电微能源采集器I的基底1通过粘结剂18固定在垫块13上，微永磁体A的N极指向正X轴方向，将垫块13固定在电子天平14上；
第二步微力加载测试，调节整体式多轴位移台4的X轴、Y轴、Z轴的千分尺，使微永磁体A和微永磁体B水平共线，并且两者之间的距离为20-25毫米，其次，调节整体式多轴位移台4的X轴的千分尺，使微永磁体B向负X轴方向移动，步进是10微米，当微永磁体 A和微永磁体B之间的距离达2. 5毫米时，暂停调节整体式多轴位移台4的X轴向的千分尺，改用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器8，使微永磁体B向负X方向移动，步进 1微米，与此同时，通过电子天平14测试压电微能源采集器I所受的Z向微排斥力大小。
③压电微能梁采集器I的等效刚度测试
第一步搭建装置，如附图5所示，换向连接件6与压电陶瓷叠堆致动器8由上至下竖直Z向布置、压电微能源采集器I水平X向布置，换向连接件6通过螺栓5连接在整体式多轴位移台4下端，压电陶瓷叠堆致动器8与换向连接件6通过粘结剂7固接，连接件20 通过粘结剂19固定在压电陶瓷叠堆致动器8上，将微永磁体B通过粘结剂21固定在连接件20上，永磁体B的N极性指向负Z轴方向，压电微能源采集器I的基底1通过粘结剂22 固定在垫块13上，压电微能源采集器I的末端微永磁体A的N极指向正Z轴方向，将垫块 13固定在电子天平14上；
第二步微力加载测试并获得微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线图，分别调节整体式多轴位移台4的X轴、Y轴、Z轴的千分尺，使微永磁体A和微永磁体B竖直共线，并且两者之间的距离为20-25毫米。其次，调节整体式多轴位移台4的Z轴的千分尺， 使压电微能源采集器I向负Z轴方向移动，步进是10微米，当微永磁体A和微永磁体B之间的距离达2. 5毫米时，暂停调节整体式多轴位移台4的Z轴的千分尺，改用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器8，使压电微能源采集器I向负Z方向移动，步进1微米，与此同时，通过电子天平14测试压电微能源采集器I所受的Z向微排斥力大小，绘制出微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线图，如附图7所示。
第三步等效刚度k测试，分别调节整体式多轴位移台4的X轴、Y轴、Z轴的千分尺，使微永磁体A和微永磁体B竖直共线，调节整体式多轴位移台4的Z轴的千分尺，使微永磁体B向负Z轴移动，微永磁体A和微永磁体B两者之间的距离为20毫米，记为X0。采用Z轴的千分尺或(和)压电陶瓷驱动电源驱动压电陶瓷叠堆致动器8移动，微永磁体B 在Z轴向的位移XI，由于微永磁体A和微永磁体B之间微排斥力的存在，压电微能梁采集器I发生弯曲，末端微永磁体A的位移记为X，此时微永磁体A和微永磁体B之间的距离记为X2，电子天平14测试此时的微排斥力大小F，再由附图7所示的微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线图找出X 2值，微永磁体A的Z轴方向位移为X = X1+X2-X0，压电微能梁采集器I的等效刚度计算式为k = F/X。
本发明非线性压电微能源采集器的微力加载测试方法是利用微米级的微位移来传递微力，两个微永磁体之间的位移减小，导致微永磁体AB之间产生毫牛顿级的微排斥力。采用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器，使两个微永磁体之间的距离以步进1 微米的位移减小，同时，利用高精度电子天平实现微力的测试，解决了非线性压电微能源采集器的毫牛顿级微力加载测试问题。
权利要求
1.非线性压电微能源采集器的微力加载测试方法，其特征是，非接触微力加载测试方法分三种方式，分别为当换向连接件(6)、压电陶瓷叠堆致动器(8)、压电微能源采集器(I) 竖直Z向布置时，压电微能源采集器(I)的Z向微排斥力加载测试；当换向连接件(6)、压电陶瓷叠堆致动器(8)、压电微能源采集器(I)水平X向布置时，压电微能源采集器(I)的 Z向微排斥力加载测试；压电微能梁采集器(I)的等效刚度测试；测试方法具体步骤如下①当换向连接件(6)、压电陶瓷叠堆致动器(8)、压电微能源采集器(I)竖直Z向布置时，压电微能源采集器(I)的Z向微排斥力加载测试第一步搭建装置，换向连接件(6)、压电陶瓷叠堆致动器(8)、压电微能源采集器(I)依次由上至下竖直Z向布置，槽形的换向连接件(6)通过螺栓( 连接在整体式多轴位移台 ⑷下端，压电陶瓷叠堆致动器⑶与换向连接件(6)通过粘结剂(7)固接，连接件(10)通过粘结剂(9)固定在压电陶瓷叠堆致动器(8)上，压电微能源采集器(I)的基底(1)通过粘结剂(11)固定在连接件(10)上，微永磁体㈧的N极指向负Z轴方向，将微永磁体⑶ 通过粘结剂(1 固定在垫块(1 上，微永磁体(B)的N极指向正Z轴方向，再将垫块(13) 固定在电子天平(14)上；第二步微力加载测试，分别调节整体式多轴位移台的X轴、Y轴、Z轴的千分尺，使微永磁体(A)和微永磁体(B)竖直共线，并且两者之间的距离为20-25毫米，调节整体式多轴位移台(4)的Z轴的千分尺，使压电微能源采集器(I)向负Z轴方向移动，步进是10微米，当微永磁体(A)和微永磁体(B)之间的距离达2. 5毫米时，暂停调节整体式多轴位移台 (4)的Z轴的千分尺，改用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器(8)，使压电微能源采集器⑴向负Z轴方向移动，步进1微米，再通过电子天平(14)测试微永磁体⑶所受到的微排斥力大小，即压电微能源采集器(I)的Z轴向微排斥力大小；②当换向连接件(6)、压电陶瓷叠堆致动器(8)、压电微能源采集器(I)水平X向布置时，压电微能源采集器(I)的Z向微排斥力加载测试第一步搭建装置，换向连接件(6)、压电陶瓷叠堆致动器(8)、压电微能源采集器(I)依次由右至左水平X向布置，槽形的换向连接件(6)通过螺栓( 连接在整体式多轴位移台 (4)下端，压电陶瓷叠堆致动器(8)与换向连接件(6)通过粘结剂(7)固接，微永磁体(B) 通过粘结剂(17)固定在压电陶瓷叠堆致动器(8)上，永磁体(B)的N极性指向负X轴方向，压电微能源采集器⑴的基底⑴通过粘结剂(18)固定在垫块(13)上，永磁体㈧的 N极性指向正X轴方向，将垫块(13)固定在电子天平(14)上；第二步微力加载测试，分别调节整体式多轴位移台(4)的X轴、Y轴、Z轴的千分尺，使微永磁体(A)和微永磁体(B)水平共线，并且两者之间的距离为20-25毫米，调节整体式多轴位移台(4)的X轴的千分尺，使微永磁体(B)向负X轴方向移动，步进是10微米，当微永磁体(A)和微永磁体(B)之间的距离达2. 5毫米时，暂停调节整体式多轴位移台的X 轴向的千分尺，改用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器(8)，使微永磁体(B)向负 X方向移动，步进1微米，再通过电子天平(14)测试压电微能源采集器(I)所受的Z向微排斥力大小；③压电微能梁采集器(I)的等效刚度测试第一步搭建装置，换向连接件(6)与压电陶瓷叠堆致动器(8)依次由上至下竖直Z向布置、压电微能源采集器(I)水平X向布置，换向连接件(6)通过螺栓( 连接在整体式多轴位移台(4)下端，压电陶瓷叠堆致动器(8)与换向连接件(6)通过粘结剂(7)固接，连接件00)通过粘结剂(19)固定在压电陶瓷叠堆致动器(8)上，将微永磁体(B)通过粘结剂 (21)固定在连接件OO)上，永磁体(B)的N极性指向负Z轴方向，压电微能源采集器(I) 的基底(1)通过粘结剂0 固定在垫块(1 上，压电微能源采集器(I)的末端微永磁体 (A)的N极指向正Z轴方向，将垫块(13)固定在电子天平(14)上；第二步微力加载测试并绘制微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线图，分别调节整体式多轴位移台(4)的X轴、Y轴、Z轴的千分尺，使微永磁体(A)和微永磁体(B)竖直共线，并且两者之间的距离为20-25毫米，调节整体式多轴位移台的Z轴的千分尺，使压电微能源采集器(I)向负Z轴方向移动，步进是10微米，当微永磁体(A)和微永磁体(B) 之间的距离达2. 5毫米时，暂停调节整体式多轴位移台(4)的Z轴千分尺，改用压电陶瓷驱动电源激励压电陶瓷叠堆致动器(8)，使压电微能源采集器(I)向负Z方向移动，步进1微米，通过电子天平(14)测试压电微能源采集器(I)所受的Z向微排斥力大小，绘制出微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线图；第三步等效刚度k测试，分别调节整体式多轴位移台(4)的X轴、Y轴、Z轴的千分尺， 使微永磁体(A)和微永磁体(B)竖直共线，调节整体式多轴位移台(4)的Z轴的千分尺，使微永磁体(B)向负Z轴移动，微永磁体(A)和微永磁体(B)两者之间的距离为20毫米，记为X0，采用Z轴的千分尺或(和)压电陶瓷驱动电源驱动压电陶瓷叠堆致动器(8)移动， 得到微永磁体(B)在Z轴向的位移XI，由于微永磁体(A)和微永磁体(B)之间微排斥力的存在，压电微能梁采集器(I)发生弯曲，末端微永磁体(A)的位移记为X，此时微永磁体(A) 和微永磁体(B)之间的距离记为X2，电子天平(14)测试此时的微排斥力大小F，再由微永磁体间距与微排斥力大小变化关系曲线图找出X2值，微永磁体(A)的Z轴方向位移为X = X1+X2-X0，压电微能梁采集器(I)的等效刚度计算式为k = F/X。
全文摘要
本发明非线性压电微能源采集器的微力加载测试方法属于测试技术领域，特别涉及非线性压电微能源采集器的微力加载和测试。非接触微力加载测试方法分三种方式，分别为当换向连接件、压电陶瓷叠堆致动器、压电微能源采集器竖直Z向布置时，压电微能源采集器的Z向微排斥力加载测试；当换向连接件、压电陶瓷叠堆致动器、压电微能源采集器水平X向布置时，压电微能源采集器的Z向微排斥力加载测试；压电微能梁采集器的等效刚度测试。该测试方法解决了非线性压电微能源采集器的毫牛顿级微力加载测试问题，加载的微力在微牛顿级，精度高、微力加载稳定性能好，操作简便，容易精确控制微力加载的幅度，不易损坏样片。
文档编号G01L5/00GK102519646SQ20111042213
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者崔岩, 王立鼎, 王飞, 董维杰, 赵林 申请人:大连理工大学