一种基于法珀腔电致伸缩材料形变量的测量装置的制作方法

[0001]
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于法珀腔电致伸缩材料形变量的测量装置。


背景技术：

[0002]
随着现代科学技术的蓬勃发展，需要用电致伸缩材料产生微小形变(微米级甚至纳米级)进行控制的对象越来越多，其控制精度的要求也越来越高。电致伸缩材料因其具有优异的化学、物理和机械性能在航空航天、智能机器人、微电子、人工肌肉、电力系统等领域有着重要的作用。此类材料能够在通电的条件下产生微小形变，将电能转化为机械能，从而实现能量的转换。因此，对性能优异的电致伸缩材料的探索和应用已经成为广大科研人员研究的热点课题，精准测量该材料产生的微小形变量是研究此类材料的必要条件。
[0003]
目前，测量电致伸缩材料产生微小形变量的方法有很多，如激光干涉法、电容法、光学杠杆法等。激光干涉法是目前应用较为广泛的一种方法。虽然这些方法可以实时准确的测量电致伸缩材料的形变量，但其体积大、易受操作水平和安装环境条件的限制；电容法测量此类材料产生的微小形变具有结构简单、灵敏度高、响应速度快等优点，但该方法存在测量范围小和测量效率较低的问题；光学杠杆法具有测量范围大、采点速度较快等优点，但其存在结构复杂和测量稳定性较差的问题。


技术实现要素：

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为克服上述现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种基于法珀腔电致伸缩材料形变量的测量装置，针对上述方法存在的问题，能准确有效的测量电致伸缩材料产生的形变量；具有测量精度高、结构简单、抗干扰能力强、响应速度快、体积小的优点。
[0005]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
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一种基于法珀腔电致伸缩材料形变量的测量装置，包括基座、滚珠螺杆；滚珠螺杆和导轨分别垂直固定在基座上，通过滑块将两者连接；固定好的滚珠螺杆通过步进电机连接升降控制器；在基座上设有材料测试台；材料测试台上方设有材料夹具，材料夹具可以在材料测试台上固定和拆卸；光学探头通过固定装置固定在连接板上，并与外接引出光纤连接，光学探头的端面与固定好的压电薄膜的表面相面对。
[0007]
所述的材料夹具为圆环片，材料测试台上表面是镂空的凹槽，凹槽为与材料夹具内径相同的圆柱体。
[0008]
所述的材料夹具和材料测试台之间用于固定和更换所测量的电致伸缩材料，两者镂空的凹槽是保证电致伸缩材料产生形变时不受影响。
[0009]
所述的滚珠螺杆接有步进电机，通过升降控制器控制步进电机带动滑块上下移动。
[0010]
所述的光学探头的端面和压电薄膜上表面构成以空气为介质的法珀腔。
[0011]
所述的光学探头是由陶瓷插针和单模光纤组成。
[0012]
所述的法珀腔的初始腔长为0.5mm～0.6mm。
[0013]
所述的压电薄膜的直径比材料夹具和材料测试台镂空凹槽的直径大1.5mm。
[0014]
本发明的有益效果是：
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1)本发明在光学探头的端面和压电薄膜上表面构成一个以空气为介质的法珀腔，该法珀腔包括两个反射端面，一个反射端面为光学探头端面，另一个反射端面是压电薄膜的上表面，压电薄膜受到电场发生形变时，光学探头端面和压电薄膜上表面两个反射面间距发生变化，即改变了法珀腔的腔长，通过从反射回的光信号中解调出法珀腔腔长的信息即可实现对压电薄膜形变的测量。
[0016]
2)本发明的敏感元件采用压电薄膜具有灵敏度高、质量轻、稳定性好等优点，结合光学测量技术能实现对该材料形变量测量的精准性和快速性。
[0017]
3)本发明装置中使用升降控制器控制滑块来带动光纤探头上下移动，可以更方便准确的调节法珀腔的腔长实现光输入和输出信号的耦合。
[0018]
4)本发明装置具有体积小、制作简单、精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于工程测量和科研领域，为各领域的研究提供良好的实验基础。
附图说明
[0019]
图1为本发明装置的三维结构图。
[0020]
图2是本发明的结构示意图。
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图中：1为基座、2为滚珠螺杆、3为导轨、4为升降控制器、5为滑块、6为光学探头、7为固定装置、8为外接引出光纤、9为材料夹具、10为材料测试台、11为压电薄膜。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
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如图1-2所示，一种基于法珀腔电致伸缩材料形变量的测量装置，包括基座1、滚珠螺杆2、导轨3、升降控制器4、滑块5、光学探头6、固定装置7、外接引出光纤8、材料夹具9、材料测试台10、压电薄膜11；其中，滚珠螺杆2和导轨3分别垂直固定在基座1上，通过滑块5将两者连接；固定好的滚珠螺杆2通过步进电机连接升降控制器4以控制滑块5的上下移动；在基座1上设有材料测试台10；材料测试台10上方设有材料夹具9，材料夹具9可以在材料测试台10上固定和拆卸；光学探头6通过固定装置7固定在连接板5上，并与外接引出光纤8连接，光学探头6的端面与固定好的压电薄膜11的表面相面对。
[0024]
所述的材料夹具9为圆环片，材料测试台10上表面是镂空的凹槽，凹槽为与材料夹具9内径相同的圆柱体。
[0025]
所述的材料夹具9和材料测试台10之间用于固定和更换所测量的电致伸缩材料，两者镂空的凹槽是保证电致伸缩材料产生形变时不受影响。
[0026]
所述的滚珠螺杆接有步进电机，通过升降控制器控制步进电机带动滑块上下移动。
[0027]
所述的光学探头6的端面和压电薄膜11上表面构成以空气为介质的法珀腔。
[0028]
所述的法珀腔的初始腔长为0.5mm～0.6mm，用升降控制器微调光学探头移动，当与光纤连接的光纤传感器解调仪上显示出光信号时表示法珀腔的初始腔长调节完成。
[0029]
所述的压电薄膜的直径应比材料夹具和材料测试台镂空凹槽的直径大1.5mm，将压电薄膜边缘压紧固定以保证压电薄膜不会发生偏移。
[0030]
所述的光学探头是由陶瓷插针和单模光纤组成，选择8/125单模光纤其接口类型为fc/apc，将光纤尾端部分剥掉涂覆层露出光纤的裸纤部分然后把光纤端面切平或抛光。将处理好的光纤插入陶瓷插针里然后将两者进行粘接，在粘接的过程中要注意光纤端面的洁净，以保证光纤的光信号传输。
[0031]
本发明的工作原理是：
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本发明在光学探头6的端面和压电薄膜11上表面构成一个以空气为介质的法珀腔，该法珀腔包括两个反射端面，一个反射端面为光学探头端面，另一个反射端面是压电薄膜的上表面。激光光源发出的光学信号经过处理后形成平行光，通过光纤将光信号入射到压电薄膜上，在压电薄膜上表面进行反射，再经过光纤把光信号传输到光学解调系统中，以光相位发生的变化感受压电薄膜上产生的形变。
[0033]
当压电薄膜受到电场发生形变时，光学探头端面和压电薄膜上表面两个反射面间距发生变化，即改变了法珀腔的腔长，通过从反射回的光信号中解调出法珀腔腔长的信息即可实现对压电薄膜形变的测量。
[0034]
一种基于法珀腔电致伸缩材料形变量的测量装置的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
[0035]
1)将压电薄膜放在材料测试台上并用材料夹具进行固定，保证材料固定的牢固性使其在发生形变时不会移动；
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2)调节升降控制器控制光学探头的移动以调节法珀腔的初始腔长；
[0037]
3)当给压电薄膜施加可调电压源时，压电薄膜会发生伸缩形变；
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4)当压电薄膜发生形变时，光学探头端面和压电薄膜表面所构成法珀腔的腔长也会随着该材料发生形变而变化；
[0039]
5)法珀腔腔长的变化通过光纤拾取法珀腔的反射光学信号，光学信号通过光纤传感器解调仪转换为电信号来获取法珀腔腔长的变化量；
[0040]
6)由于电致伸缩材料作为法珀腔的敏感侧，法珀腔腔长的变化量δl和压电薄膜厚度的形变量δc相等，即：δc＝δl。
[0041]
所述的法珀腔的初始腔长为0.5mm～0.6mm，用升降控制器微调光学探头移动，当与光纤连接的光纤传感器解调仪上显示出光信号时表示法珀腔的初始腔长调节完成。