静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置及方法

摘要

本发明公开了一种静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置，底座上的后部固定有立座，立座的前侧设有可上下移动的垂直面板，垂直面板一端与步进电机的一端连接，垂直面板上设有固定电机装置，固定电机装置的一端与电机上端连接，电机下端固定有弹簧，弹簧下端与触头连接，触头与弹簧之间设有第一绝缘层，触头的正下方设有力传感器，力传感器上设有第二绝缘层和导电层，力传感器设于夹具的中间，夹具通过水平面板设于底座上。本发明可以测得柔性压电材料在不同大小、不同频率的压力作用下产生的压电信号，从而来表征压电材料的压电性能，并可对测量结果进行计算得到压电应变常数，电信号测量装置精度高，重复性和可比性好；测量效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置及方法，对静电纺PVDF纳米纤维薄膜压电性能进行测试评价，属于柔性压电材料测量技术领域。

背景技术

压电材料应用于柔性纺织品中的主要是压电聚合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)及以它为代表的其他有机压电材料。这类材料以其材质柔韧、频响范围宽、动态特性好、成形性好、低阻抗和高压电常数等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得广泛应用。

通过静电纺技术制备的柔性PVDF纳米纤维薄膜，不仅可以控制PVDF的压电性和铁电性，还可将形成β晶型的拉伸和极化步骤简化为一步同时进行。制成的柔性PVDF纳米纤维薄膜，质量轻，便于携带，舒适柔软，透气性好，可与纺织品结合，制成可携带的柔性传感器、柔性储能装置等。

对于柔性PVDF纳米纤维薄膜的性能表征中，很重要的一点是对于压电薄膜压电应变常数的测试，压电应变常数表示单位应力所产生的电荷密度。对于压电陶瓷材料的压电应变常数测试，现有的测试方法多为静态测试法，不适于研究压电材料的动态响应性能。例如商业有专门的压电材料d₃₃测量仪(无锡裕天科技有限公司)，适用于测压电晶体及压电陶瓷材料，力幅度较小(2.5N)，力频率范围低(0-110Hz)。中国专利(专利公开号：CN2308072)《准静态法纵向压电应变常数测量仪》通过设计电路，并采用比较的测试方法，可以提高测量精度，并可测试压电应变常数d₃₃低的高分子压电薄膜材料和压电石英晶体等，但电路结构设计复杂，并且施力触头设计为半球形等形状，与被测试样为点接触，如果用于测试纳米纤维薄膜的压电应变常数，只能接触到几根纤维，而不能接触到整个纤维网；同样力频率范围低，不适合研究压电材料的动态特性，因此并不适用于静电纺纳米纤维薄膜的压电应变常数测试。中国专利(专利公开号：CN1220399A)《薄膜形压电材料的压电常数的测量方法》，利用压力机构产生一气压并将其施加到薄膜上，一电荷测量装置测量从薄膜产生的电荷，利用测得的电荷和所施加的气压的大小计算薄膜形压电材料的压电常数。但此测试方法不仅力频率范围低，而且不适用于纤维薄膜的压电常数测试，因纤维薄膜具有大量孔隙，气体会透过孔隙，使受力大小的测试不准确。综上所述，现在缺乏专门测试压电纳米纤维薄膜压电性能的测试装置，并且缺乏测试压电材料动态响应的测试装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供了一种测试操作简单、测量效率高，电信号测量装置精度高、重复性和可比性好的静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置及方法，解决了目前的测试装置无法准确有效的对压电纳米纤维薄膜压电性能进行测试，且缺乏测试压电材料动态响应的测试装置的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置，其特征在于，包括底座，底座上的后部固定有立座，立座的前侧设有可上下移动的垂直面板，垂直面板一端与步进电机的一端连接，垂直面板上设有固定电机装置，固定电机装置的一端与电机上端连接，电机下端固定有弹簧，弹簧下端与触头连接，触头与弹簧之间设有第一绝缘层，触头的正下方设有力传感器，力传感器上设有第二绝缘层和导电层，力传感器设于夹具的中间，夹具通过水平面板设于底座上。

优选地，所述的垂直面板上还设有防止触头对力传感器压力过大而导致力传感器损坏的过载保护机构。

优选地，所述的水平面板与底座之间设有x轴移动轨道和y轴移动轨道。

优选地，所述的触头为纤维薄膜的上层电极，导电层为纤维薄膜的下层电极。

一种使用静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置进行测试的方法，其特征在于，将触头和导电层分别与压电信号采集系统的两端连接，垂直面板通过第一供电盒与PC机连接，电机通过第二供电盒与PC机连接，力传感器通过第三供电盒与PC机连接；测试时将纤维薄膜放在导电层上，可通过编程控制电机带动弹簧及触头进行不同频率、不同行程的上下往复运动，以实现对纤维薄膜施加不同频率、不同大小的力，力的大小由力传感器及力数据处理系统获得；压电信号采集系统分别连接纤维薄膜的上下电极，测试力作用下产生的电压信号和电流信号，对于测量结果进行计算得出压电应变常数；

根据下式计算在纤维薄膜中产生的应力：

$>\sigma =\frac{F}{S}$>

根据下式计算纤维薄膜的压电应变常数：

$>d_{33}=\frac{\partial D}{\partial F}=\frac{Q}{\sigma }$>

其中d₃₃表示纤维薄膜的压电应变常数D表示电荷密度，F表示施加的压力，Q表示单位面积纤维薄膜产生的电荷量，σ表示纤维薄膜中产生的应力。

优选地，所述的力数据处理系统包括在PC机上安装的数据采集卡，基于计算机语言开发编写的数据采集与分析界面操作系统。

优选地，所述的压电信号采集系统为示波器或者电化学工作站测量系统。

优选地，所述的电化学工作站测量系统由电化学工作站、微机、三电极系统组成。

本发明可以测得柔性压电材料在不同大小、不同频率的压力作用下产生的压电信号，从而来表征压电材料的压电性能，并可对测量结果进行计算得到压电应变常数。并且，该装置配置的多轴力传感数据与运动控制数据间能实时通讯，实现自保护功能；电信号测量装置精度高，重复性和可比性好；测试操作简单，测量效率高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(I)可测试纤维薄膜状态压电材料的压电应变常数，测试精度高；

(II)可同时测得力信号与压电信号，有利于对压电材料压电性能的分析；

(III)能够实时监测力信号与压电信号，有利于观察与对比实时变化；

(IV)弹簧结构可实现对预加力的控制，测试条件重复性好；

(V)在传感器上端安装防过载弹力结构，自动避免传感器承受过载或Z轴运动操作失误等导致传感器损坏事故的发生；

(VI)另外，本装置各部件的组装灵活，配合良好，操作简单，测量效率高。

附图说明

静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置

图1是一种静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置的结构示意图；

图2是固定力传感器与压电纳米纤维薄膜的夹具装置示意图；

图3是一种静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置的测试运动示意图；

图4-1-1是施力频率为5Hz时候各个时间段的压力大小的波形图；

图4-1-2是施力频率为5Hz时候各个时间段的电压大小的波形图；

图4-1-3是施力频率为5Hz时候各个时间段的电流大小的波形图；

图4-2-1是施力频率为10Hz时候各个时间段的压力大小的波形图；

图4-2-2是施力频率为10Hz时候各个时间段的电压大小的波形图；

图4-2-3是施力频率为10Hz时候各个时间段的电流大小的波形图；

图4-3-1是施力频率为15Hz时候各个时间段的压力大小的波形图；

图4-3-2是施力频率为15Hz时候各个时间段的电压大小的波形图；

图4-3-3是施力频率为15Hz时候各个时间段的电流大小的波形图。

其中：1为底座，2为立座，3为垂直面板，4为过载保护机构，5为电机，6为固定电机装置，7为弹簧，8为触头，9为第一绝缘层，10为水平面板，11为夹具，12为x轴移动轨道和y轴移动轨道，13为步进电机，14为附属丝杆，15为力传感器，16为导电层，17为第二绝缘层，18为螺丝，19为PC机，20为压电信号采集系统，21为第一供电盒，22为第二供电盒，23为第三供电盒。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本发明为一种静电纺PVDF压电纤维薄膜的压电性能测试装置，如图1所示，其结构特点为：底座1上的后部固定有立座2，立座2的前侧安装有可上下移动(Z轴)的垂直面板3，垂直面板3一端通过附属丝杆14与步进电机13的一端连接，步进电机13可使得垂直面板3上下移动，防过载弹力结构(即过载保护机构4)固定在该垂直面板3上，用于防止触头8对力传感器15压力过大而导致力传感器15损坏，垂直面板3上还固定有固定电机装置6，固定电机装置6的一端连接电机5上端，电机5下端固定弹簧7，弹簧7可实现对薄膜预加力的控制，弹簧7下端连接触头8，触头8与弹簧7之间有第一绝缘层9，触头8为纤维薄膜的上层电极；电机5通过传动机构，可驱动垂直面板3携带电机5上下移动。如图2所示，用夹具11将力传感器15固定在水平面板10上，力传感器15上装有第二绝缘层17和导电层16，导电层16为薄膜下层电极。分别在触头8和导电层16上面安装螺丝18，作为连接电信号采集系统用。

水平面板10与底座1之间安装有x轴移动轨道和y轴移动轨道12。在x轴移动轨道和y轴移动轨道12的两侧可以安装能使其前后左右滑动的驱动电机或者直接手动来驱动x轴移动轨道和y轴移动轨道12前后左右滑动。

如图3所示，将触头8和导电层16分别与压电信号采集系统20的两端连接，垂直面板3通过第一供电盒21与PC机19连接，电机5通过第二供电盒22与PC机19连接，力传感器15通过第三供电盒23与PC机19连接；测试时将纤维薄膜放在导电层16上，可通过编程控制电机5带动弹簧7及触头8进行不同频率、不同行程的上下往复运动，以实现对纤维薄膜施加不同频率、不同大小的力，力的大小由力传感器15及力数据处理系统获得。压电信号采集系统20分别连接纤维薄膜的上下电极，测试力作用下产生的电压信号和电流信号。对于测量结果进行计算得出压电应变常数。

根据下式计算在纤维薄膜中产生的应力：

$>\sigma =\frac{F}{S}$>

其中σ表示纤维薄膜中产生的应力，F表示施加的压力，S表示薄膜的面积。

根据下式计算纤维薄膜的压电应变常数：

$>d_{33}=\frac{\partial D}{\partial F}=\frac{Q}{\sigma }$>

其中d₃₃表示纤维薄膜的压电应变常数D表示电荷密度，F表示施加的压力，Q表示单位面积纤维薄膜产生的电荷量，σ表示纤维薄膜中产生的应力。

以频率f＝5Hz(图4-1-1、图4-1-2、图4-1-3所示)为例，计算过程如下：

$>\sigma =\frac{F}{S}=\frac{\frac{1}{2}(F_1-F_2)}{a^2}$>

其中F1表示波峰电压，F2表示波谷电压，a表示正方形薄膜边长

a＝2cm＝0.02m F₁＝28.29N F₂＝0.77N

σ＝34400N/m²

$>Q={\int }_0^{\frac{1}{2}T}I\left(t\right)\mathrm{dt}$>

$>T=\frac{1}{f}$>

T表示周期

T＝0.2s Q＝4.74×10^-10C

$>d_{33}=\frac{\partial D}{\partial F}=\frac{Q}{\sigma }$>

d₃₃＝1.38×10^-14

传动机构为多轴运动控制卡(安装在电脑主机上)分别或协调控制的步进电机13及附属丝杆14，以及步进电机13通过附属丝杆14链接控制的垂直面板3和x轴移动轨道和y轴移动轨道12两侧的驱动电机控制的水平面板10。

力传感器15为测试精度高、量程小的力传感器，能实现纤维薄膜受力的实时测量，满足纤维薄膜受力的精度及量程和动态频率要求。

防过载弹力结构为线弹性刚度悬臂梁，弹性弯曲刚度大小取决于传感器Z向最大过载载荷或希望过载保护的载荷大小。

柔性压电纳米纤维薄膜，由静电纺技术制备。

力数据处理系统为包括在PC机上安装的数据采集卡(如National Instrument公司的PCI-6220)，基于VC++应用程序等计算机语言开发编写的数据采集与分析界面操作系统。此测试系统能协同操控多个系统，涵盖运动平台操作、力传感器15和二者间的通信协调操控，采集纤维薄膜受力的数据并对所测的相关数据进行实时处理、分析，界面操作良好。

压电信号采集系统20可以为示波器或者电化学工作站测量系统等模拟信号采集装置。电化学工作站测量系统由电化学工作站、微机、三电极系统组成，测量精度高，满足纤维薄膜受力产生的电压、电流信号的精度及量程和动态频率要求。

本发明所用的电机5可通过设置速度、加速度、位移距离编程来控制触头8以一定的频率上下反复移动，对压电纤维薄膜进行施力作用。

本发明所用的力传感器15为精密力传感器，如美国ATI公司的Nano17，通过输出电压信号，电池盒供电及信号放大处理，由A/D卡转化为数字信号输入PC机19进行信号的采集处理，可测量z轴方向的接触力，测量精度为1.5％，量程为50N，分辨率为1/160N，共振频率为3000Hz，满足纤维薄膜受力的精度及量程和动态频率要求。

本测试装置能准确、实时测量在不同频率、大小、加速度的外载荷下，纤维薄膜状态压电材料产生的压电信号，可以用来分析压电纤维薄膜材料的压电应变常数。鉴于测试原理的一般性，此测试装置可推广至其它压电材料的性能测试和评价。

实施例2

根据下式计算在纤维薄膜中产生的应力：

$>\sigma =\frac{F}{S}$>

其中σ表示纤维薄膜中产生的应力，F表示施加的压力，S表示薄膜的面积。

根据下式计算纤维薄膜的压电应变常数：

$>d_{33}=\frac{\partial D}{\partial F}=\frac{Q}{\sigma }$>

其中d₃₃表示纤维薄膜的压电应变常数D表示电荷密度，F表示施加的压力，Q表示单位面积纤维薄膜产生的电荷量，σ表示纤维薄膜中产生的应力。

以频率f＝10Hz(图4-2-1、图4-2-2、图4-2-3所示)为例，计算过程如下：

$>\sigma =\frac{F}{S}=\frac{\frac{1}{2}(F_1-F_2)}{a^2}$>

其中F1表示波峰电压，F2表示波谷电压，a表示正方形薄膜边长

a＝2cm＝0.02m F₁＝19.07N F₂＝1.38N

σ＝22112.5N/m²

$>Q={\int }_0^{\frac{1}{2}T}I\left(t\right)\mathrm{dt}$>

$>T=\frac{1}{f}$>

T表示周期

T＝0.1s Q＝4.47×10^-9C

$>d_{33}=\frac{\partial D}{\partial F}=\frac{Q}{\sigma }$>

d₃₃＝2.02×10^-13

其他与实施例1相同。

实施例3

根据下式计算在纤维薄膜中产生的应力：

$>\sigma =\frac{F}{S}$>

其中σ表示纤维薄膜中产生的应力，F表示施加的压力，S表示薄膜的面积。

根据下式计算纤维薄膜的压电应变常数：

$>d_{33}=\frac{\partial D}{\partial F}=\frac{Q}{\sigma }$>

其中d₃₃表示纤维薄膜的压电应变常数D表示电荷密度，F表示施加的压力，Q表示单位面积纤维薄膜产生的电荷量，σ表示纤维薄膜中产生的应力。

以频率f＝15Hz(图4-3-1、图4-3-2、图4-3-3所示)为例，计算过程如下：

$>\sigma =\frac{F}{S}=\frac{\frac{1}{2}(F_1-F_2)}{a^2}$>

其中F1表示波峰电压，F2表示波谷电压，a表示正方形薄膜边长

a＝2cm＝0.02m F₁＝18.39N F₂＝1.63N

σ＝20950N/m²

$>Q={\int }_0^{\frac{1}{2}T}I\left(t\right)\mathrm{dt}$>

$>T=\frac{1}{f}$>

T表示周期

T＝0.067s Q＝4.59×10^-9C

$>d_{33}=\frac{\partial D}{\partial F}=\frac{Q}{\sigma }$>

d₃₃＝2.19×10^-13

其他与实施例1相同。