電致伸縮材料驅動力特性的電容法測試裝置的製作方法
2023-12-09 22:24:51
專利名稱：電致伸縮材料驅動力特性的電容法測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電致伸縮材料微應變、微驅動力測試裝置，尤其涉及一種電致伸縮材 料特性的電容法測試裝置。
背景技術：
線位移或應變測試應用中非光學方法按原理分有劃線電阻法(10殳20mm)、應變電阻法 (10-4-102mm)、電容法(10-4-10mm)、感應同步法(1-3-102腿)、差動電感法(10-4-10"mm)等， 其有不同測量速度、範圍和精度，如劃線電阻法為保證電阻的可靠接觸僅適合於低速場合， 差動電感法具有較高測量精度但測量範圍有限，應變電阻法需要被測對象有較大的驅動能 力。電致伸縮材料需要同時有微形變和一定的驅動力，而傳統測試只能測試自由態電致伸 縮材料的電致伸縮係數，對於在受力負載情況下的電致伸縮係數及其驅動力的研究甚少， 所以有必要對電致伸縮材料的驅動力性能進一步展開研究。驅動力性能研究中很重要的一 環就是微力測量，微力測量通常採用MEMS器件來完成，也有採用光纖傳感器、天平等方 法來完成。電容法和差動變壓器法將微形變測量轉化為電量測量，都需要與被測表面接觸屬接觸 法測量。電容法具有響應速度快、靈敏度高、抗噪聲能力強等優點，同時還具有較大的測 量範圍和較高測量精度適合於電致伸縮材料微應變測量，為材料電致伸縮特性測試提供了 可靠的途徑。電容式傳感器是傳感器中非常重要的一類，其將被測非電量的變化轉換為電容量變化， 通過檢測電容量的變化來獲得被測量變化，具有結構簡單、高分辨力、可非接觸測量、成 本低、響應速度快、靈敏度高、抗噪聲能力強等優點，並能在高溫、輻射和強烈振動等惡 劣條件下工作，廣泛應用於壓力、溼度、固體水分含量、觸覺、信息融合成像、微位移、 物位、加速度等傳感量的檢測。微力測量時可將微力產生的微位移轉化為微電容變化，從 而通過測量微電容來測量微力。實用新型內容本實用新型的目的是提出一種結構簡單、測試過程便於操作的一種電致伸縮材料特性
的電容法測試裝置，通過該裝置能直接測量出被測電致伸縮材料的微應變特性、微驅動力 特性。本實用新型採用如下技術方案包括基座1和支撐架12，支撐架12設在基座1上，其特徵在於在支撐架12上設有定勵磁線圈9，在定磁線圈9的端面上設有電容定極板10，在基座1上設有可調高壓源3， 可調高壓源3的兩端分別連接有負、正極板4、 5，該二極板5、 6間用於放置待測電致伸 縮材料，其中的一塊極板與三維微位移臺2相接觸，在與其中的另一塊極板連接的支撐件 7上設有動勵磁線圈8，在動勵磁線圈8的端面上設有電容動極板11，上述電容定極板IO 與電容動極板11相面對。本實用新型提出了電容法電致伸縮材料特性測試裝置，該裝置通過電容法檢測電致伸 縮材料在高電場強度下的產生微小應變導致的微位移，通過電磁線圈加載電磁力或產生平 衡驅動力。微電容檢測採用了開關型微弱電容檢測電路，該電路成本低，同時還可消除較 被測電容大很多的對地寄生電容對測量結果的影響。電致伸縮材料驅動力特性的電容法測試裝置總體包括可調高壓電源、固定基座、三維 微位移臺、高壓正負極板、被測對象薄膜、勵磁線圈組、微位移傳感電容及其測試控制電 路。系統工作時，高壓電源將強電場加載在待測薄膜上，薄膜產生應變，微位移傳感電容 測量出對應的微位移；在進行材料受力負載情況下地電致伸縮係數研究時通過驅動線圈產 生力負載；研究材料驅動力時，用驅動線圈抵消強電場產生的微位移或產生等效微位移間 接測量材料的驅動力，將電致伸縮材料作為彈性體時微位移傳感電容同時可以作為力傳感 器使用。整個測試裝置置於一個抗振平臺上以消除振動對測試結果的影響。裝置中包括了一個 三維微位移臺以方便測試中的傳感電容微調，同時該微位移臺也適用於微電容及微位移的 校準和標定。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點1. 本實用新型機械結構簡單易行；2. 採用的微位移開關型微弱電容檢測電路，該電路成本低，同時還可消除較被測電容 大很多的對地寄生電容對測量結果的影響；3. 採用測試原理可以測量電致伸縮材料在一定壓力下電場-電致伸縮應變曲線，等效 驅動力特性和平衡驅動力特性。
圖1是本實用新型總體結構示意圖，圖1A是本實用新型的一種具體實施例，圖1B是 本實用新型的另一種具體實施例，l一固定基座，2—三維微位移臺，3—可調高壓源，4一 負極板，5—正極板，6—電致伸縮薄膜，7—支撐件，8—動勵磁線圈，9一定勵磁線圈， IO—電容動極板，11—電容定極板，12—支撐杆。圖2是本實用新型的測試結果圖，當測量範圍很大時位移和微電容法檢測電壓輸出不 是線性關係，但對於很小的微位移(幾十微米範圍內)可以認為和微電容間存在線性關係。圖3為微電容測量電磁力結果，利用電容法測量聚氨酯在電磁力作用下產生的彈性形 變，通過測量微電容變化可得到加載在聚氨酯彈性體上的磁力，系統中採用了直流線圈來 產生電磁力，圖示橫坐標為定線圈兩端所加載的電壓。圖4為不同納米鈦酸鋇含量的聚氨酯彈性體隨電場強度發生的電致伸縮應變曲線。圖5 —定納米鈦酸鋇含量的聚氨酯彈性體在外加電場作用下電致伸縮應變與時間的變 化關係。
具體實施方式
一種電致伸縮材料驅動力特性的電容法測試裝置，包括基座1和支撐杆12，支撐杆12設在基座1上，其特徵在於在支撐杆12上設有定勵磁線圈9，在定勵磁線圈9的端面上 設有電容定極板IO，在基座1上設有可調高壓源3，可調高壓源3的兩端分別連接有負、 正二極板4、 5，該負、正二極板4、 5間用於放置待測電致伸縮材料6，其中負極板與三維 微位移臺2相接觸，在與正極板相連的支撐件7上設有動勵磁線圈8，在動勵磁線圈8的 端面上設有電容動極板10，上述電容定極板11與電容動極板10相面對。上述高壓電源輸出範圍0 10kV，上述電容定極板10與電容動極板11所形成的電容 的測試精度300mV/pF，電容測試範圍0 10pF，電容法檢測微位移/微應變，位移測試精度 1.9mV/線圖1A及圖1B分別反映了上述技術方案的兩種形式。系統工作時，高壓電源將強電場加載在待測薄膜上，薄膜產生應變，微位移傳感電容 測量出對應的微位移；在進行材料受力負載情況下地電致伸縮係數研究時通過驅動線圈產 生力負載；研究材料驅動力時，用驅動線圈抵消強電場產生的微位移或產生等效微位移間 接測量材料的驅動力，將電致伸縮材料作為彈性體時微位移傳感電容同時可以作為力傳感 器使用。整個測試裝置置於一個抗振平臺上以消除振動對測試結果的影響。裝置中包括了一個 三維微位移臺以方便測試中的傳感電容微調，同時該微位移臺也適用於微電容及微位移的
校準和標定。利用本實用新型可以進行電致伸縮材料的電場-電致伸縮應變曲線、在不同壓力下的電 場-電致伸縮應變曲線、在不同電場作用下的平衡驅動力及在不同電場作用下的等效驅動力 等性能的測試。1) 通過高壓極板給被測電致伸縮薄膜加載系列高壓，電壓範圍為0 10kV，薄膜發生 系列對應應變位移，微電容測試電路檢測出該系列對應微位移從而獲得該電致伸縮材料的 電場-電致伸縮應變曲線。2) 通過電磁線圈給薄膜加載壓力，通過高壓極板給被測電致伸縮薄膜加載系列高壓， 電壓範圍為0 10kV，薄膜發生系列對應應變位移，微電容測試電路檢測出該系列對應微 位移從而獲得該電致伸縮材料在不同壓力下的電場-電致伸縮應變曲線。3) 通過高壓極板給被測電致伸縮薄膜加載系列高壓，電壓範圍為0 10kV，通過電磁 線圈給薄膜加載平衡力而保持薄膜應變為零，從而獲得該電致伸縮材料在不同電場作用下 的平衡驅動力。4) 通過高壓極板給被測電致伸縮薄膜加載系列高壓，電壓範圍為0 10kV，薄膜發生 系列對應應變位移，再通過電磁線圈給薄膜加載壓力使薄膜產生等同位移，從而獲得該該 電致伸縮材料在不同電場作用下的等效驅動力。使用該裝置檢測電致伸縮材料特性步驟如下(1) 將被測電致伸縮薄膜剪切成30mmx30mm大小夾持在正負高壓極板中，通過調 三維微位移臺調整電容傳感器的初始位置，使電容測量輸出值為零。(2) 調節高壓極板上電壓使被測電致伸縮薄膜發生對應應變，通過電容測量電路測得 電場-電致伸縮應變曲線。(3) 調節高壓極板上電壓使被測電致伸縮薄膜發生對應應變，通過驅動線圈對被測電 致伸縮薄膜加載壓力(加載或等效應變)或拉力(抵消應變)，從而通過電容測量電路測得材料 的一定壓力下電場-電致伸縮應變曲線，等效驅動力特性和平衡驅動力特性。
權利要求1. 一種電致伸縮材料驅動力特性的電容法測試裝置，包括基座(1)和支撐架(12)，支撐架(12)設在基座(1)上，其特徵在於在支撐架(12)上設有定勵磁線圈(9)，在定磁線圈(9)的端面上設有電容定極板(10)，在基座(1)上設有可調高壓源(3)，可調高壓源(3)的兩端分別連接有負、正極板(4、5)，該二極板(5、6)間用於放置待測電致伸縮材料，其中的一塊極板與三維微位移臺(2)相接觸，在與其中的另一塊極板連接的支撐件(7)上設有動勵磁線圈(8)，在動勵磁線圈(8)的端面上設有電容動極板(11)，上述電容定極板(10)與電容動極板(11)相面對。
2、 根據權利要求1所述的電致伸縮材料驅動力特性的電容法測試裝置，其特徵在於在 所述的基座(1)與所述的其中的一塊極板之間設有三維微位移臺(2)。
專利摘要電致伸縮材料驅動力特性的電容法測試裝置，涉及電致伸縮材料微應變、微驅動力測試裝置，尤其涉及一種電致伸縮材料特性的電容法測試裝置。本實用新型包括基座和支撐架，支撐架設在基座上，其特徵在於在支撐架上設有定勵磁線圈，在定磁線圈的端面上設有電容定極板，在基座上設有可調高壓源，可調高壓源的兩端分別連接有負、正極板，該二極板間用於放置待測電致伸縮材料，其中的一塊極板與三維微位移臺相接觸，在與其中的另一塊極板連接的支撐件上設有動勵磁線圈，在動勵磁線圈的端面上設有電容動極板，上述電容定極板與電容動極板相面對。本實用新型實現了結構簡單、測試過程便於操作的目的。
文檔編號G01D5/12GK201081720SQ20072004654
公開日2008年7月2日 申請日期2007年10月26日 優先權日2007年10月26日
發明者吳劍鋒, 李建清, 林保平 申請人:東南大學