本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷輸出力的測量裝置，具體涉及一種主動(dòng)式壓電陶瓷最大輸出力測量裝置。

背景技術(shù)：

壓電陶瓷作為一種具有壓電效應(yīng)的高效換能材料，其制作簡單，成本低廉，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，通常被用作敏感元件制作成高精度傳感器使用，或者是被作為驅(qū)動(dòng)元件被封裝成各種為微驅(qū)動(dòng)平臺。被用于激光陀螺、超聲馬達(dá)、水聲通信、涉及航天、生物科技、水聲通信等方面。

在針對壓電陶瓷的研究中，電壓-位移輸出曲線和電壓-力輸出曲線是描述壓電陶瓷特性的重要數(shù)據(jù)。對于壓電陶瓷的最大位移輸出的測量是很方便的，然而壓電陶瓷最大輸出力的直接測量卻不是很容易實(shí)現(xiàn)。這是由于壓電陶瓷的力輸出特點(diǎn)決定的。壓電陶瓷的力輸出與位移輸出成負(fù)相關(guān)。在位移輸出為零時(shí)壓電陶瓷的力輸出最大，當(dāng)位移輸出最大時(shí)，壓電陶瓷的力輸出為零。由于壓電陶瓷的力輸出非常大，所以在應(yīng)用傳統(tǒng)的測量方法測量力輸出的過程中，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生一定的伸長量，使得此時(shí)的力輸出不是最大的力輸出值。這也是壓電陶瓷最大輸出力測量的難點(diǎn)之一。

現(xiàn)有的測量的方式是通過測量位移輸出與對應(yīng)的力輸出的值，通過胡克定律進(jìn)行計(jì)算，間接推算出壓電陶瓷在零位移輸出時(shí)的最大里輸出值。這種方法要求壓電陶瓷在通電伸長后依然具有與未通電狀態(tài)時(shí)一樣的力學(xué)特性，依然嚴(yán)格滿足胡克定律，同時(shí)這種方法也忽略了壓電陶瓷在通電后內(nèi)部帶電粒子在電場中的力學(xué)特性。在當(dāng)今壓電陶瓷應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用精度要求越來越高的情況下，精確的測量壓電陶瓷的力輸出特性的要求也被廣泛提出。

本發(fā)明主要針對現(xiàn)有壓電陶瓷的最大輸出力測量方式的局限性，例如無法實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷力輸出時(shí)位移輸出為零、無法實(shí)現(xiàn)測量不同位移輸出時(shí)的力輸出值、不能準(zhǔn)確的標(biāo)定出不同位移輸出時(shí)的力輸出值、依靠胡克定律進(jìn)行推算所導(dǎo)致的對帶電粒子在電場中所受庫侖力的忽略等問題。提出了一種主動(dòng)式測量具有大剛性的壓電陶瓷材料力輸出特性的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有壓電陶瓷的最大輸出力測量方式有局限性，無法實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷力輸出時(shí)位移輸出為零，無法實(shí)現(xiàn)測量不同位移輸出時(shí)的力輸出值，不能準(zhǔn)確的標(biāo)定出不同位移輸出時(shí)的力輸出值，依靠胡克定律進(jìn)行推算所導(dǎo)致的對帶電粒子在電場中所受庫侖力的問題，而提出了一種主動(dòng)式壓電陶瓷最大輸出力測量裝置。

本發(fā)明的一種主動(dòng)式壓電陶瓷最大輸出力測量裝置，其組成包括宏觀調(diào)節(jié)部件、微位移驅(qū)動(dòng)部件、力測量部件和位移測量部件；

宏觀調(diào)節(jié)部件包括預(yù)緊螺栓、調(diào)節(jié)框架、兩個(gè)鎖緊螺栓、兩個(gè)連接螺栓和兩個(gè)定位螺釘，微位移驅(qū)動(dòng)部件包括驅(qū)動(dòng)框架、驅(qū)動(dòng)陶瓷、第一預(yù)緊楔塊、第二預(yù)緊楔塊和楔塊鎖緊螺栓，力測量部件包括測量支撐臺和力傳感器，位移測量部件包括位移傳感器和反射片；

所述調(diào)節(jié)框架的上橫框中心部位設(shè)有調(diào)節(jié)螺紋孔，所述調(diào)節(jié)框架的左側(cè)豎框上設(shè)有兩個(gè)定位螺紋孔，所述調(diào)節(jié)框架的后端設(shè)有連接板，連接板設(shè)有兩個(gè)鎖緊螺紋孔，預(yù)緊螺栓與調(diào)節(jié)螺紋孔螺紋連接；

所述驅(qū)動(dòng)框架上設(shè)有豎孔和橫孔，橫孔位于驅(qū)動(dòng)框架的下端，豎孔垂直設(shè)置在橫孔的上端，且豎孔與橫孔相通，橫孔的下底邊中部設(shè)有凸起，第二預(yù)緊楔塊、第一預(yù)緊楔塊和驅(qū)動(dòng)陶瓷由上至下依次設(shè)置在豎孔中，第二預(yù)緊楔塊和第一預(yù)緊楔塊對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)框架側(cè)壁上設(shè)有楔塊鎖緊螺紋孔，所述驅(qū)動(dòng)框架設(shè)置在調(diào)節(jié)框架內(nèi)且位于連接板的前端，定位螺釘與定位螺紋孔螺紋連接，驅(qū)動(dòng)框架上設(shè)有兩個(gè)長孔，兩個(gè)長孔與兩個(gè)鎖緊螺紋孔一一正對，鎖緊螺栓與鎖緊螺紋孔螺紋連接，力傳感器設(shè)置在調(diào)節(jié)框架內(nèi)的底面，測量支撐臺設(shè)置在力傳感器的上面且與力傳感器螺紋連接，位移傳感器設(shè)置在測量支撐臺的上面，反射片粘貼在驅(qū)動(dòng)框架的下面，調(diào)節(jié)框架通過連接螺栓固裝在安裝平臺。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

一、本發(fā)明通過宏觀調(diào)節(jié)部件與微位移驅(qū)動(dòng)部件的配合，對壓電陶瓷所受外界力進(jìn)行控制。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷輸出位移的精確可控，并通過力測量部件測量壓電陶瓷相應(yīng)位移輸出(包含零位移輸出)時(shí)的力輸出值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷位移輸出與力輸出曲線和電壓與最大力輸出曲線的標(biāo)定。

二、由于測量時(shí)模擬的是壓電陶瓷在不輸出位移的情況下的力輸出狀態(tài)，是比較接近真實(shí)情況下壓電陶瓷的沒有位移的情況下力輸出的值，因此本發(fā)明測量更加準(zhǔn)確。

三、本發(fā)明是直接通過一定的方式激發(fā)出壓電陶瓷的最大輸出力，并直接用力傳感器讀出，不需要像通常的測量方式那樣要進(jìn)行推算，就不會(huì)引入其他參數(shù)如楊氏模量等的誤差，結(jié)果更加清晰，因此，本發(fā)明測量結(jié)果更加直接。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)立體圖；

圖2是調(diào)節(jié)框架2的主視圖；

圖3是驅(qū)動(dòng)框架3的立體圖；

圖4是驅(qū)動(dòng)框架3的主視圖；

圖5是本發(fā)明的測量方法中步驟一的示意圖；

圖6是本發(fā)明的測量方法中步驟二的示意圖；

圖7是本發(fā)明的測量方法中步驟三的示意圖；

圖8是本發(fā)明的測量方法中步驟四的示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1～圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括宏觀調(diào)節(jié)部件A、微位移驅(qū)動(dòng)部件B、力測量部件C和位移測量部件D；

宏觀調(diào)節(jié)部件A包括預(yù)緊螺栓1、調(diào)節(jié)框架2、兩個(gè)鎖緊螺栓4、兩個(gè)連接螺栓9和兩個(gè)定位螺釘13，微位移驅(qū)動(dòng)部件B包括驅(qū)動(dòng)框架3、驅(qū)動(dòng)陶瓷5、第一預(yù)緊楔塊14、第二預(yù)緊楔塊15和楔塊鎖緊螺栓16，力測量部件C包括測量支撐臺7和力傳感器8，位移測量部件D包括位移傳感器11和反射片12；

所述調(diào)節(jié)框架2的上橫框中心部位設(shè)有調(diào)節(jié)螺紋孔2-1所述調(diào)節(jié)框架2的左側(cè)豎框上設(shè)有兩個(gè)定位螺紋孔2-3，所述調(diào)節(jié)框架2的后端設(shè)有連接板2-4，連接板2-4設(shè)有兩個(gè)鎖緊螺紋孔2-5，預(yù)緊螺栓1與調(diào)節(jié)螺紋孔2-1螺紋連接；

所述驅(qū)動(dòng)框架3上設(shè)有豎孔3-1和橫孔3-2，橫孔3-2位于驅(qū)動(dòng)框架3的下端，豎孔3-1垂直設(shè)置在橫孔3-2的上端，且豎孔3-1與橫孔3-2相通，橫孔3-2的下底邊中部設(shè)有凸起3-3，第二預(yù)緊楔塊15、第一預(yù)緊楔塊14和驅(qū)動(dòng)陶瓷5由上至下依次設(shè)置在豎孔3-1中，第二預(yù)緊楔塊15和第一預(yù)緊楔塊14對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)框架3側(cè)壁上設(shè)有楔塊鎖緊螺紋孔3-4，所述驅(qū)動(dòng)框架3設(shè)置在調(diào)節(jié)框架2內(nèi)且位于連接板2-4的前端，定位螺釘13與定位螺紋孔2-3螺紋連接，驅(qū)動(dòng)框架3上設(shè)有兩個(gè)長孔3-5，兩個(gè)長孔3-5與兩個(gè)鎖緊螺紋孔2-5一一正對，鎖緊螺栓4與鎖緊螺紋孔2-5螺紋連接，力傳感器8設(shè)置在調(diào)節(jié)框架2內(nèi)的底面，測量支撐臺7設(shè)置在力傳感器8的上面且與力傳感器8螺紋連接，位移傳感器11設(shè)置在測量支撐臺7的上面，反射片12粘貼在驅(qū)動(dòng)框架3的下面，調(diào)節(jié)框架2通過連接螺栓9固裝在安裝平臺10。

預(yù)緊螺栓1的主要作用是實(shí)現(xiàn)微位移驅(qū)動(dòng)部件B的向下的移動(dòng)，為被測壓電陶瓷6留出伸長的空間，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)測量過程中微位移驅(qū)動(dòng)部件B與被測壓電陶瓷6的接觸。鎖緊螺栓4的作用是實(shí)現(xiàn)微位移驅(qū)動(dòng)部件B定位后的鎖緊，防止通電后宏觀調(diào)節(jié)部件A與微位移驅(qū)動(dòng)部件B的相對滑動(dòng)。定位螺釘13的作用是在預(yù)緊螺栓1調(diào)整好微位移驅(qū)動(dòng)部件B的位置后鎖緊定位螺釘13，防止在后續(xù)擰鎖緊螺栓4的過程中微位移驅(qū)動(dòng)部件B滑動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)陶瓷5是整個(gè)裝置中微觀運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源，通電伸長后使得柔性鉸鏈變形，給被測量的壓電陶瓷6施加一個(gè)壓力，使其回到原長的位置。第一預(yù)緊楔塊14、第二預(yù)緊楔塊15的作用是與楔塊鎖緊螺栓16一起實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)陶瓷5在驅(qū)動(dòng)框架3中的預(yù)緊安裝。楔塊預(yù)緊螺栓16為防止發(fā)生干涉，在框架的另外一側(cè)布置的是一個(gè)沉頭孔。

測量支撐臺7的作用是為位移傳感器11的提供安裝空間。

位移測量部件D的作用是實(shí)時(shí)測量壓電陶瓷6的伸長量，與微位移驅(qū)動(dòng)部件B的伸長構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖1和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的第二預(yù)緊楔塊15與第一預(yù)緊楔塊14顛倒設(shè)置。即第二預(yù)緊楔塊15的楔形窄邊位于第一預(yù)緊楔塊14的楔形寬邊一側(cè)，第二預(yù)緊楔塊15的楔形寬邊位于第一預(yù)緊楔塊14的楔形窄邊一側(cè)。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖3和圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)框架3的下端面設(shè)有兩個(gè)凹槽3-6，兩個(gè)凹槽3-6對稱設(shè)置在凸起3-3的兩側(cè)，反射片12的一端位于驅(qū)動(dòng)框架3的下端面，反射片12的另一端位于凹槽3-6處。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式二相同。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的調(diào)節(jié)框架2的下橫框中心部位設(shè)有安裝螺紋孔2-2，力傳感器8的下端與螺紋孔2-2螺紋連接。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式三相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的測量支撐臺7上有一個(gè)通孔，位移傳感器11插入到通孔中，并用螺釘預(yù)緊定位。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式四相同。

本發(fā)明的工作原理：在機(jī)器人關(guān)節(jié)中，電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)減速器傳到彈性元件的內(nèi)圈剛體1-1上，內(nèi)圈剛體1-1是彈性元件的動(dòng)力輸入端口。動(dòng)力傳遞到內(nèi)圈剛體1-1后，經(jīng)兩路傳遞到外圈剛體1-2上。第一路是經(jīng)過柔性體1-3傳遞到外圈剛體1-2上；第二路是經(jīng)過扇形剛片1-4、扇形橡膠板2、扇形金屬連接板3傳遞到外圈剛體1-2上，由于柔性體1-3和扇形橡膠板2的彈性作用，整個(gè)彈性元件在動(dòng)力傳遞過程中會(huì)產(chǎn)生彈性變形，賦予機(jī)器人柔性特性。由于扇形橡膠板2具有粘彈性阻尼作用，在動(dòng)力傳遞的過程中會(huì)損耗掉部分能量，實(shí)現(xiàn)了彈性元件被動(dòng)減振功能。

本發(fā)明的測量方法：如圖5～圖8所示，其方法包括以下步驟：

步驟一、布置被測壓電陶瓷6：將被測壓電陶瓷6豎直放置在測量支撐臺7上，壓電陶瓷6的上端面與微位移驅(qū)動(dòng)部件B下端面之間設(shè)有間隙W，其間隙W為1mm～2mm，見圖5；

步驟二、被測壓電陶瓷6通電自由伸長：給被測壓電陶瓷6通入相應(yīng)的電壓，使其在無任何負(fù)載的情況下自由伸長，用電容測微儀測出此時(shí)的長度，計(jì)算出其伸長量，見圖6；電容測微儀為市售產(chǎn)品。

步驟三、施加力：通過調(diào)整預(yù)緊螺栓1使微位移驅(qū)動(dòng)裝置框架3的下底面與被測壓電陶瓷6的上表面相接處，并通過施加一定的力消除各個(gè)部件之間在與力同方向上連接處的間隙。然后鎖緊定位螺釘13實(shí)現(xiàn)定位，最后擰緊鎖緊螺栓4實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)框架3的有效固定。然后給驅(qū)動(dòng)陶瓷5通電使其伸長，驅(qū)動(dòng)陶瓷5帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)框架3向下移動(dòng)并與被測壓電陶瓷6接觸。由于微位移驅(qū)動(dòng)部件B、被測壓電陶瓷6以及力傳感器8本身有一定剛度，所以在被測壓電陶瓷6被壓縮的同時(shí)力傳感器8也相應(yīng)的被壓縮，此時(shí)讀取位移傳感器11的讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)與被測壓電陶瓷6初始位置讀數(shù)相同時(shí)，被測壓電陶瓷6被壓回到零位移輸出的位置。見圖7；

步驟四、位移控制：使用位移傳感器11測量被測壓電陶瓷6尺寸的變化。當(dāng)壓電陶瓷6在微位移驅(qū)動(dòng)部件B的作用下恢復(fù)到原長時(shí)，讀出了力傳感器8的讀數(shù)即為壓電陶瓷6的最大輸出力值。此時(shí)由于施加的力進(jìn)一步變大，力傳感器8也被進(jìn)一步壓縮，見圖8。

測量時(shí)應(yīng)注意以下內(nèi)容：

1、被測壓電陶瓷6應(yīng)滿足壓力測試所需的長徑比放置，且被測壓電陶瓷6應(yīng)當(dāng)豎直放置，防止出現(xiàn)彎矩。

2、粘貼反射片12的時(shí)候，應(yīng)盡量保證與位移傳感器11平行，與被測壓電陶瓷6上表面平行。