一种压电小梁试件及其制备方法和试验方法与流程

本发明涉及压电小梁试件的制备方法和实验方法。

背景技术：

随着经济社会的发展，能源短缺和环境污染已成为当前的热点话题，引起公众的广泛关注。如何开发绿色新能源，将其应用到日常生活中，是目前国内外的重点研究方向。压电材料以其独有的力电响应特性，能够将外界的机械能转化为电能，而且绿色环保，无限再生，成为当下的研究热点。压电材料在机械、结构等领域的研究已经非常成熟，也取得了丰硕的成果，但是在道路交通领域的研究才刚刚开始。因为我国公路里程数巨大，荷载作用频率高，数值大，所以压电材料在该领域有广阔的应用前景。

目前对压电材料在道路交通领域的研究主要集中在压电器件制备方面，然后通过实验测试器件的工作性能。但是多数实验研究都只关注压电器件本身的测试，忽略了其和道路结构作为一个整体共同进行研究。这样容易导致器件的测试效果良好，却在实际应用中存在诸多弊端，比如实际输出功率远小于测试值，器件存在影响道路结构的正常使用等。因此，急需能够进行压电器件和道路结构一体化研究的实验方法。

技术实现要素：

本发明首先要解决的技术问题是提供一种压电小梁试件，采用该压电小梁试件进行加载试验，能够模拟路用压电俘能器件在交通荷载作用下的工作情况，从而建立一种一体化的实验方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种压电小梁试件，包括压电器件，压电器件包括作为基座的压电陶瓷，压电陶瓷的外围设有电极，电极的底面上设有支座，压电陶瓷的顶面设有帽件，小梁试件根据试验需要切割成合适的尺寸，压电器件布置在小梁试件的底面上，每个压电器件上均连接有指示部件。

进一步地，压电陶瓷为pzt材料，其结构为矩形双晶片结构，压电陶瓷呈圆饼状且具有一定的厚度。

进一步地，电极为黄铜材料，电极呈圆环状紧贴在压电陶瓷的外周侧。

进一步地，支座均布于电极的底面上，且与电极的形状相吻合，帽件为圆帽，帽件布置在压电陶瓷顶面的中部。

进一步地，帽件和支座均采用高强度耐高温橡胶材料。

进一步地，指示部件为led，当压电材料受到一定的压力时，能够点亮对应的led指示部件。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种上述压电小梁试件的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

（1）制备多个压电器件；

（2）按照要求制备车辙板试件；

（3）切割多条小梁试件；

（4）将压电器件固定在小梁试件的底部，并接上指示部件。

本发明还提供一种利用上述压电小梁试件的试验方法，该试验方法采用上述小梁试件进行试验，试验的过程和要求是：

（1）将小梁试件放入车辙板模具内，填实空隙，放入自动车辙试验仪进行加载，记录轮碾轨迹；

（2）当车轮经过底部设有压电器件的小梁试件正上方时，能够点亮该压电器件所连接的指示部件，压电器件的点亮次数为，至少两个来回点亮一次。

进一步地，小梁试件整齐并行地排列在车辙板上，每个小梁试件上均设有3个压电器件，压电器件两两之间的间距为6~7cm。

进一步地，小梁试件与车辙板两侧的边缘用木条或厚纸板填实。

本发明的有益效果是：本发明根据压电俘能路面在荷载作用下的变形机理，为了进一步研究在荷载下的俘能效果，设计了一种用于小梁实验的俘能器件，并给出了对应的实验方法；该压电小梁试件可以除了可用于本方面所涉及的实验以外，还能用于其他类似的俘能结构中，利用整体结构变形进行发电；该实验方法可以用于深入研究内置的路面结构在荷载作用下的变形机理和俘能功率，为工程应用提供实验指导。

附图说明

图1是压电器件的正面示意图。

图2是压电器件的反面示意图。

图3是压电器件实物图的正面示意图。

图4是压电器件实物图的反面示意图。

图5是压电小梁试件的实验示意图。

图6是压电小梁试件的实验实物图。

具体实施方式

实施例1，参照附图1-4。

本实施例提供一种应用于本发明的压电小梁试件上的压电器件。

该压电器件包括作为基座的压电陶瓷3，压电陶瓷3为pzt材料，其结构为矩形双晶片结构，压电陶瓷3呈圆饼状，其外径为25mm，厚度为0.3mm，。

压电陶瓷3的外围设有电极1，电极1为黄铜材料，电极1呈圆环状紧贴在压电陶瓷3的外周侧，电极1的内径尺寸为25mm，与压电陶瓷3的外径尺寸一直，其外径尺寸为35mm，厚度比压电陶瓷3略薄，为0.26mm。

电极1的底面上设有多个橡胶支座2，橡胶支座2均布于电极1的底面上，且与电极1的环形的形状相吻合，在本实施例中，橡胶支座2为3个，压电陶瓷3的顶面设有帽件4，帽件为圆帽，帽件布置在压电陶瓷3顶面的中部，帽件和支座均采用高强度耐高温橡胶材料，厚度均为2mm。压电器件上部采用橡胶圆帽，能够更有效地传递位移；使用橡胶支座2，保证了三个点的高度相同，压电材料处于水平，同时增大了支座的接触面积，覆盖了制作区域的电极1所有金属部分，抑制整个金属边缘的向下变形，而尽量让变形全部由中间的压电陶瓷来承担，这样就等于变相增加了压电器件的结构变形。

压电器件布置在参与试验的小梁试件的底面上，每个压电器件上均连接有指示部件。指示部件为led，led安装在小梁试件的外侧，便于观察，当压电材料受到一定的压力时，能够点亮对应的led指示部件。

实施例2，参照附图5-6。

本实施例提供一种压电小梁试件的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）制备多个实施例1中的压电器件备用；压电器件可以委托生产厂家按照结构图进行加工，首先选取合适的材料，然后切割出压电陶瓷3作为基座，在压电陶瓷3外侧焊接固定电极1，在电极1上粘贴橡胶支座2，在压电陶瓷3的上表面粘贴帽件4，

（2）按照要求制备车辙板试件，车辙板的尺寸为300mm×300mm×50mm；

（3）将车辙板切割成大小相同的八条小梁试件5，尺寸是300mm×35mm×30mm；

（4）将压电器件固定在小梁试件的底部，并接上指示部件，采用0.6mm导线，将正面和反面的压电陶瓷3用导线连接起来，再从正面同一位置引出一根导线，同时从电极1也引出一根导线，分别于led的连接,如图2所示，指示部件引出放置在试验器件的外部，便于观察，如图6所示。

实施例3，参照附图5-6。

本实施例提供一种压电小梁试件的试验方法，试验的具体要求和做法是：

将小梁试件放入车辙板模具内，要求小梁试件整齐并行地排列在车辙板上，每个小梁试件上均设有3个压电器件，压电器件两两之间的间距为6~7cm。

将小梁试件整体的两侧与车辙板之间的空隙6用木条或厚纸板填实，放入自动车辙试验仪进行加载，记录轮碾轨迹。

当车轮经过底部设有压电器件的小梁试件正上方时，能够点亮该压电器件所连接的指示部件，压电器件的点亮次数为，至少两个来回点亮一次。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种压电小梁试件，包括压电器件，压电器件包括作为基座的压电陶瓷，压电陶瓷的外围设有电极，电极的底面上设有支座，压电陶瓷的顶面设有帽件，小梁试件根据试验需要切割成合适的尺寸，压电器件布置在小梁试件的底面上，每个压电器件上均连接有指示部件。本发明还提供一种上述压电小梁试件的制备方法及利用上述压电小梁试件的试验方法，本发明设计了一种用于小梁实验的俘能器件，并给出了对应的实验方法；该实验方法可以用于深入研究内置的路面结构在荷载作用下的变形机理和俘能功率，为工程应用提供实验指导。

技术研发人员：陈奕声;张鹤;黄康旭;吕朝锋
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2017.05.04
技术公布日：2017.10.20