專利名稱：一種雙軸力電耦合加載傳動與電荷測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種實驗設備，特別涉及一種對壓電鐵電材料施加電加載和雙向力加載的力電耦合加載與測量系統，屬于工程材料、物理性能、結構形變及力學實驗技術領域。
背景技術：
對于各向異性材料，一般的單向拉伸實驗已經不能真實的反映材料的物理力學性能，需要研究材料在相互垂直的兩個方向上同時受到載荷場時的力學行為，而對于壓電鐵電智能材料，需要研究其在力電耦合加載時的材料行為，這對于材料的應用以及新材料的研制有重要的意義。
但是目前的雙軸試驗機，比如立式雙軸四缸電液伺服試驗機(申請號200610012089.9)雖然能夠完成各向異性材料的雙軸力學行為，但對于壓電鐵電材料的力電耦合性能研究卻存在精度和安全性的問題，另外對于壓電鐵電材料的力電耦合研究也僅限于電加載和單軸壓應力加載，李常青(鐵電材料本構行為和電致疲勞的實驗研究.[清華大學碩士學位論文]，北京清華大學工程力學系，1998)設計的單軸加載裝置是通過一個導向架使得壓桿保持與試件垂直。這種方法比較簡單，但因為其沒有自動調節的功能，所以不能精確保證試件受到純壓狀態，這在純壓實驗尤其是雙向應力場實驗顯得格外重要。另外由于實驗要進行電載荷加載，所以為了避免高壓電場下電荷對空氣放電，實驗要在硅油中進行，但在李常青的論文中的僅通過一個油槽就可以滿足要求，而在雙軸實驗中還需要考慮硅油的密封問題，避免在加載過程中，過多的硅油流出，出現高壓放電。再次，由于雙軸加載時為了避免試件破壞時試驗機對撞造成損壞，試驗機必須采用位移控制加載方式，而壓電鐵電材料在較大的應力載荷下自身變形依然很小，這使得位移控制加載的精度很難保證。所以需要避免這種對材料進行直接加載的加載方式。
在試件表面的電荷測量系統中一般采用傳統的Sawyer-Tower回路。由于目前對于數據都是由數據采集卡采集，或者低壓精密儀器采集，但實驗過程中，一旦試件被擊穿后，測量系統回路中會產生瞬間高壓，這必然會損壞測量系統的精密儀器，所以必須在測量回路中設計過壓保護措施以保證采集儀器的安全。
發明內容
本發明的目的是提供一種雙軸力電耦合加載傳動與電荷測量裝置，利用雙軸自調節傳動裝置實現力雙軸試驗機對鐵電陶瓷進行雙軸力電耦合加載，保證雙軸向力的同步性與自調節對中性。
本發明的另一個目的是設計了一套與雙軸自調節傳動裝置相配合的絕緣裝置，從而使得實驗過程中能夠在硅油中進行，避免高壓放電與電荷流失。
本發明的再一個目的是在電荷測量電路中并聯一套過壓保護與電荷誤差補償元件，集成為一個電荷測量儀，實現電荷測量的精確性和實時監測性以及電場過載后的安全性。
本發明的技術方案如下一種雙軸力電耦合加載傳動與電荷測量裝置，含有雙軸力加載傳動裝置和電荷測量裝置，其特征在于所述的雙軸力加載傳動裝置采用雙軸自調節傳動軸，所述的雙軸自調節傳動軸在水平和豎直方向均包括一套固定傳動軸和一套自調節球形鉸傳動軸；所述的固定傳動軸包括依次連接的絕緣塊，固定梯形壓頭，固定連接桿以及與雙軸加載試驗機夾具連接的固定轉接桿；所述的自調節球形鉸傳動軸包括絕緣塊，調節梯形壓頭、調節鋼珠、連接彈簧，調節連接桿以及與雙軸加載試驗機夾具連接的調節轉接桿；所述的調節梯形壓頭的一端與調節連接桿通過調節鋼珠配合，并通過連接彈簧活動連接，調節梯形壓頭的另一端與絕緣塊連接，調節轉接桿的一端與調節連接桿活動連接，另一端與雙軸加載試驗機夾具相連接。
本發明的另一技術特征是該裝置還包括一個與雙軸自調節傳動軸相配合的絕緣裝置，該絕緣裝置包括加載油槽和設置在加載油槽外部的隨動油槽，在所述的加載油槽與水平方向的固定傳動軸和球形鉸傳動軸之間分別設有無摩擦密封裝置，所述的加載油槽和隨動油槽與垂直方向的固定傳動軸之間分別設有密封塞。
在上述方案的基礎上，本發明的優選方案是所述的無摩擦密封裝置含有絕緣壓環、夾在絕緣壓環與加載油槽間的環形柔性防油層和絕緣壓緊螺母。
本發明的技術特征還在于所述的電荷測量裝置含有電荷測量儀和A/D數據采集裝置，所述的電荷測量儀包括保護二極管，信號放大器以及連接在信號放大器輸出端的對測量電荷誤差進行補償的輸出調節和監測輸出信號的液晶顯示器。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果本發明采用雙軸自調節傳動軸，保證了雙軸力加載的實時自調節對中性；根據鋼制傳動軸的大變形特點實現了大載荷試驗機對于小塊陶瓷位移控制的力加載；設計一套與雙軸自調節傳動軸配合絕緣裝置，實現在高壓電場加載實驗中水平傳動裝置和試樣完全浸沒在絕緣的硅油進行實驗，從而避免了在加載過程中，由于過多的硅油流出而出現高壓放電的現象；同時通過無摩擦密封裝置保證了實驗中雙軸力加載的精度；本發明的另一個優點是改進了傳統的Sawyer-Tower電荷測量回路，可以避免在實驗中由于電加載過載后對測量和數據采集儀器的損害，同時可以補償電荷測量結果的誤差、并具有實時監測性。
圖1是本發明提供的雙軸力電耦合加載傳動與電荷測量裝置結構示意圖。
圖2是自調節球形鉸傳動軸示意圖。
圖3是實驗中設計的無摩擦密封裝置示意圖。
圖4是電荷測量電路示意圖。
圖中1-固定傳動軸；2-自調節球形鉸傳動軸；3-無摩擦密封裝置；4-加載油槽；5-密封塞；6-隨動油槽；7-固定連接桿；8-固定轉接桿；9-調節梯形壓頭；10-調節連接桿；11-調節轉接桿；12-調節鋼珠；13-連接彈簧；14-通槽；15-螺孔；16-螺紋；17-環形柔性防油層；18-壓緊螺釘；19-絕緣壓環；20-絕緣壓緊螺母；21-絕緣塊；22-連接桿螺紋；23-保護二極管；24-信號放大器；25-輸出調節；26-固定梯形壓頭；27-電荷測量儀；28-高壓輸入。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的原理、具體結構和工作過程作進一步的說明圖1是本發明提供的雙軸力電耦合加載傳動與電荷測量裝置結構示意圖。含有雙軸力加載傳動裝置、高壓輸入28和電荷測量儀27；所述的雙軸力加載傳動裝置包括雙軸自調節傳動軸和與之配合的一套絕緣裝置。所述的雙軸自調節力傳動軸在水平和豎直方向均包括一套固定傳動軸1和一套自調節球形鉸傳動軸2；所述的固定傳動軸1包括絕緣塊21、固定梯形壓頭26、帶有螺紋的固定連接桿7和固定轉接桿8；固定傳動軸采用高精度加工，固定梯形壓頭26非加載端與圓柱形的固定連接桿7相連接；固定連接桿7與圓柱形的固定轉接桿8通過螺紋16配合，這樣可以使得整套加載傳動軸的兩個軸向各有一個固定對中的傳動軸，同時又可以方便裝卸在實驗的絕緣裝置上。圖2是自調節球形鉸傳動軸示意圖，包括絕緣塊21、調節梯形壓頭9、調節鋼珠12、連接彈簧13和調節連接桿10；調節連接桿10一端開矩形的通槽14，與矩形的調節轉接桿11通過壓緊螺釘18相對壓緊連接；調節連接桿10的另一端與調節梯形壓頭9的一端分別加工同等大小的圓錐形凹槽，四個調節彈簧13通過小螺釘分別固定在圓柱的調節連接桿11和調節梯形壓頭9的四周，由調節鋼珠12和四個連接彈簧13將調節連接桿11與調節梯形壓頭9活動連接在一起。在軸向壓力加載的時候，調節鋼珠12與調節梯形壓頭9的圓錐形凹槽光滑接觸，由于連接彈簧的可伸縮性可使調節梯形壓頭與調節連接桿相對自由轉動，而連接彈簧13的連接同時也使得調節梯形壓頭9與調節連接桿10不會脫離。調節連接桿10的另一端再通過矩形的調節轉接桿11與試驗機的矩形無齒夾具相連接，實現動態自調節功能，在保證了自調節功能的同時又使得與絕緣裝置連接時裝卸方便。在雙軸力電耦合本構實驗中，調節連接桿10與調節轉接桿11之間通過調節連接桿上的矩形的通槽14可活動連接，這樣即可以在轉動方向上沒有約束也可以是拆卸變得方便。這部分主要目的是保證調節轉接桿11傳動的力加載到調節連接桿10時有一定的轉動自由，也可以設計成其他的自由連接，比如鉸鏈連接，只是在裝卸方面上比較繁瑣。不論固定傳動軸還是自調節球形鉸傳動軸，加載試樣的壓頭都進行了梯形頭設計，這樣設計目的是在雙軸力加載下避免四個加載頭的碰撞，同時使得自調節球形鉸傳動軸加工和裝配方便。所述的絕緣塊21以及圖中未畫出的各梯形壓頭表面外的固體絕緣貼片(厚度約為2mm)均是為了實驗中的絕緣需要而設計。在壓頭頂端的絕緣塊21采用一定厚度的即高度耐壓又高度絕緣的氧化鋁材料制成。由于氧化鋁十分堅硬，很難加工，所以在不需要壓力的固定梯形壓頭26和調節梯形壓頭9側面上選擇容易加工的絕緣材料，實驗中在高壓端的加載是由薄的銅片與涂有電極的試樣連接，暴露的銅片與金屬傳動軸距離不能保證足夠大，即使在硅油中也有可能放電，所以需要在四個梯形金屬壓頭的側面粘貼上容易加工的聚四氟乙烯貼片作為固體絕緣貼片。各個固體絕緣塊均通過絕緣膠水與固定梯形壓頭26和調節梯形壓頭9粘接。
雙軸自調節力傳動軸配合了一套絕緣裝置，該絕緣裝置包括加載油槽4和設置在加載油槽外部的隨動油槽6，所述的加載油槽4分別與水平方向的固定連接桿7和調節連接桿10之間設置無摩擦密封裝置3，所述的加載油槽4和隨動油槽6與垂直方向的固定傳動軸之間分別設有密封塞5。該套絕緣裝置是針對力電耦合實驗中的電場高壓輸入28的加載所設計的，所述的高壓輸入28包括信號發生器、和信號放大器(Trek 20/30)，由信號發生器產生需要加載的電源信號，再由信號放大器固定放大3000倍形成實驗所需的高壓輸入28，在雙軸力電耦合本構實驗中由信號發生器產生的峰值為±5V的正弦波通過電荷放大器放大3000倍，實驗中電場加載為±15000V。該絕緣裝置使得整個實驗過程能夠在絕緣性能良好并且無色透明的二甲基硅油(硅油型號為1000CS)介質中進行，高壓輸入端及傳動裝置完全浸入硅油中，避免高電壓加載時高壓端對傳動裝置或者空氣放電以及所需要測量電荷的流失。實驗中要保證橫向加載時整套裝置不漏油，同時又要保證水平方向傳動軸與油槽之間的作用力盡量小從而提高加載精度。具體結構與連接如圖1所示所述的絕緣裝置包括加載油槽4、隨動油槽6、密封塞5和無摩擦密封裝置3。所述的加載油槽4是與固定連接桿7和調節連接桿10相配合連接的帶有三個圓孔的有機玻璃制成的油槽，油槽壁厚為3mm；在加載油槽4相對的一對側壁以及底面的中心分別加工φ＝28mm的圓孔，每個側面圓孔的周圍各加工12個φ＝1.5mm的小孔，配合無摩擦密封裝置3；加載油槽4底部通過密封塞5與垂直軸力加載的固定傳動軸的固定連接桿7連接，并保證可以相對移動。所述的隨動油槽6是僅有底部帶有圓孔的有機玻璃油槽，油槽通過密封塞5與固定傳動軸下端圓柱形固定轉接桿8固定連接；這樣可以保證在實驗加載的過程中油槽隨轉接桿一起移動。固定連接桿7與加載密封塞5之間因為密封性的要求，所以需要有比較大的摩擦力，但我們在加載過程中可以通過讀取垂直方向上方的自調節球形鉸傳動軸2的數據來控制垂直方向的加載力，由于沒有任何連接力，所以保證了加載的精度。所述的隨動油槽6主要目的是避免在實驗的安裝、加載、卸載和拆卸等過程中由于加載油槽4的泄漏而導致污染試驗機。所以隨動油槽6尺寸要大于加載油槽4，保證承接所有泄漏的硅油。
所述的無摩擦密封裝置3主要原則為在對密封的基礎上使傳動軸與加載油槽4直接沒有相互的摩擦阻力，從而減少力加載的誤差。在上述方案的基礎上，本發明的優選方案采用如圖3設計所述的無摩擦密封裝置3包括有機玻璃制成的絕緣壓環19、環形柔性防油層17和絕緣壓緊螺母20；這樣的連接裝置作用是在實驗中即要保證加載油槽和加載傳動軸連接的密封性，又要避免由于連接阻力而導致加載精度下降。帶有螺紋的凹槽圓柱連接桿10或者固定梯形壓桿7穿過有機玻璃材料制成的環形柔性防油層17的中孔，通過兩個絕緣壓緊螺母20將環形柔性防油層17內緣夾緊，環形柔性防油層17的外緣由帶有12個小孔的有機玻璃制成的絕緣壓環19與加載油槽4通過12個小螺釘固定。由于兩端的密封性，使得硅油不會外漏，而在中間留有一定余量的環形柔性防油層17使得傳動桿與油槽之間可以在一定位移內相當自由移動，而這樣的位移量足夠滿足實驗的要求。所述的密封塞5是由中性剛度的絕緣橡膠加工而成，內緣加工成適合尺寸的圓形通孔，外緣加工成圓形梯臺形狀，與加載油槽4和隨動油槽6連接。
雙軸自調節傳動軸連接雙軸試驗機與加載試樣，通過其自調節功能使得雙軸力加載保證實時的對中性，絕緣裝置保證實驗在硅油中進行高壓電場加載的安全性。
我們在雙軸力電耦合本構實驗中，機械加載裝置中采用的是立式雙軸電液伺服試驗機，試驗機力輸出端包括2個圓柱形無齒夾具和兩個矩形無齒夾具，所以固定傳動軸1的固定轉接桿8加工成與試驗機的圓柱形無齒夾具相配合的圓柱形狀，從而與試驗機緊密連接保證水平或者垂直方向的固定軸向加載。所述的雙軸四缸電液伺服試驗機(申請號200610012089.9)包括立式主機、液壓源和控制系統，所述的主機包括立式框架，水平方向和豎直方向加載傳動系統。該實驗機可以通過位移控制進行力加載，最大加載力為1×105N。由于是對陶瓷試件進行純壓力加載，所以為了避免高壓力下陶瓷破壞造成試驗機對撞損壞，要對試件進行位移控制力加載。然而對于相應尺寸的陶瓷試樣，實驗中的最大加載力不超過1×104N，并且陶瓷材料的特點是在很大的加載力的情況下，變形依然很小，這就給位移控制雙軸力對陶瓷試樣加載帶來了困難。對于以上問題，在實驗設計中整套加載傳動軸都采用45號鋼材料加工而成，在保證加載所需要的剛度的同時，整個加載過程中很大一部分位移消耗在鋼制加載傳動軸的變形上，再通過力反饋數據可以對陶瓷進行比較精確的力加載。實驗中試驗機如果采用0.1mm/min的步進方式加載，陶瓷試樣力加載速率可以控制在100N/min，達到實驗所要求的精度，同時又非常方便于控制。
圖4所示為是電荷測量電路示意圖。所述的電荷測量裝置含有電荷測量儀27和A/D數據采集裝置，所述的電荷測量儀27包括保護二極管23和信號放大器24以及連接在信號放大器輸出端的對測量電荷誤差進行補償的輸出調節25和監測輸出信號的小型的液晶顯示器。將上述測量元件集成為一體，成為電荷測量儀27；電荷數據由A/D采集卡采集并輸入電腦。所述的電荷測量電路的測量基本原理依然采用傳統Sawyer-Tower回路，由于實驗試樣的尺寸比較大，在實驗中所需要加載的電場強度也要大大增加，由于各種原因導致的放電現象不可避免，一旦放電整套裝置中就會產生瞬時的高壓現象，在瞬時高壓產生的狀態下，要保證電腦采集卡的輸入信號不超過10V。為了避免過載對貴重采集儀器的損害，在傳統Sawyer-Tower回路測量原理基礎上，電荷測量儀27集成了改進的帶有過壓保護與電荷補償的測量回路以及液晶顯示器，包括在對電容C0的測量電路中并聯上的保護二極管23，以及信號放大器24和輸出調節25。在電場過載的情況下C0兩端電壓如果高于10V，保護二極管23即導通，起到保護作用。信號放大器24和輸出調節25元件可以使采集數據具有可調節性，輸出調節25調整測量中由于電荷流失帶來的誤差從而提高測量結果的精確性。在數據的輸出端連接一個小型液晶顯示器，這樣可以在實驗過程中實時監測輸出信號。另外對于二極管不能阻止的脈沖信號，在采集卡的輸入端還應該并聯上一個脈沖穩定元件，穩定高頻的脈沖信號。
權利要求
1.一種雙軸力電耦合加載傳動與電荷測量裝置，含有雙軸力加載傳動裝置和電荷測量裝置，其特征在于所述的雙軸力加載傳動裝置采用雙軸自調節傳動軸，所述的雙軸自調節傳動軸在水平和豎直方向均包括一套固定傳動軸(1)和一套自調節球形鉸傳動軸(2)；所述的固定傳動軸(1)包括依次連接的絕緣塊(21)，固定梯形壓頭(26)，固定連接桿(7)以及與雙軸加載試驗機夾具連接的固定轉接桿(8)；所述的自調節球形鉸傳動軸(2)包括絕緣塊(21)，調節梯形壓頭(9)、調節鋼珠(12)、連接彈簧(13)，調節連接桿(10)以及與雙軸加載試驗機夾具連接的調節轉接桿(11)；所述的調節梯形壓頭(9)的一端與調節連接桿(10)通過調節鋼珠(12)配合，并通過連接彈簧(13)活動連接，調節梯形壓頭的另一端與絕緣塊(21)連接，調節轉接桿(11)的一端與調節連接桿(10)活動連接，另一端與雙軸加載試驗機夾具相連接。
2.按照權利要求1所述的雙軸力電耦合加載傳動與電荷測量裝置，其特征在于該裝置還包括一個與雙軸自調節傳動軸相配合的絕緣裝置，該絕緣裝置包括加載油槽(4)和設置在加載油槽外部的隨動油槽(6)，所述的加載油槽分別與水平方向的固定連接桿(7)和調節連接桿(10)之間設置無摩擦密封裝置(3)，所述的加載油槽(4)和隨動油槽(6)與垂直方向的固定傳動軸之間分別設有密封塞(5)。
3.按照權利要求2所述的雙軸力電耦合加載傳動和電荷測量裝置，其特征在于所述的無摩擦密封裝置(3)含有絕緣壓環(19)、夾在絕緣壓環(19)與加載油槽(4)間的環形柔性防油層(17)和絕緣壓緊螺母(20)。
4.按照權利要求1、2或3所述的雙軸力電耦合加載傳動和電荷測量裝置，其特征在于所述的電荷測量裝置含有電荷測量儀(27)和A/D數據采集裝置，所述的電荷測量儀包括保護二極管(23)，信號放大器(24)以及連接在信號放大器輸出端的對測量電荷誤差進行補償的輸出調節(25)和監測輸出信號的液晶顯示器。
全文摘要
一種雙軸力電耦合加載傳動與電荷測量裝置，涉及一種對壓電鐵電材料施加電加載和雙向力加載的力電耦合加載與測量系統。本發明采用包括固定加載軸和自調節球形鉸加載軸的雙軸自調節力傳動軸、與之相配合的密封裝置以及電荷測量儀，可以分別在水平方向和豎直方向同時加載，利用自調節球形鉸加載軸的自調節功能保證了軸向壓力的的同步性與自調節對中性，提高了加載精度；通過密封裝置的設計，實現了在無摩擦力的情況下保證力加載時絕緣系統的硅油介質不會泄漏；在測量電路中集成了并聯的保護二極管、信號放大器和輸出調節等元件制成的電荷測量儀，提高測量精度，同時實現對系統過壓保護功能。本發明具有小型化的特點，加工簡單方便，精度高，容易實現。
文檔編號G01N3/00GK1945266SQ200610114089
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月27日 優先權日2006年10月27日
發明者方岱寧, 劉遠銘, 李法新, 裴永茂 申請人:清華大學