本实用新型属于压电材料测量设备技术领域，具体涉及一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具。
背景技术：
压电常数是表征压电材料压电性能的重要参数，主要包括：纵向d33压电应变常数(简称d33压电常数)、横向d31压电应变常数(简称d31压电常数)和切向d15压电应变常数(简称d15压电常数)。在功能材料领域压电材料学科专业，d代表压电常数；下角标代表方向，其中的第一个下角标代表产生压电电荷的方向，第二个下角标代表加力方向，其中“1”代表x方向，“2”代表y方向，“3”代表z方向，不论是哪个方向的压电常数，都可以利用压电材料自身的压电效应测得，即通过在特定方向施加作用力而测得特定方向由于压电效应而产生出的压电电荷得到。
针对d33压电常数的测量，由于加力和测量压电电荷的方向相同，加力探头和测试探头共用，所以比较容易实现，目前，业内使用最多的压电常数测量仪器就是准静态d33测量仪。其中，d31压电常数在压电材料的研究应用中虽然也很重要，但是，由于测量过程中加力方向与测量方向垂直，导致加力探头与测试探头不能共用必须分开，测试难度增大；因此，可以同时测量d33压电常数和d31压电常数的准静态d33/d31测量仪价格往往要高出单一性能准静态d33测量仪价格数倍，成本非常高；并且在目前业内广泛使用的这种价格较高的准静态d33/d31测量仪中，对于片形和圆管形两种不同形状的样品，在测量各自的d31压电常数时，通常也需要更换整套或部分测量夹具。所以，现有的测量夹具存在制作成本高、适用性差、操作复杂、不能满足不同形状压电试样测试精度要求的d31压电常数的测量。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于，为解决现有测量夹具存在上述缺陷，本实用新型提出了一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具，在现有的准静态d33测量仪上测得压电材料的d31压电常数，通过该通用测量夹具可以将准静态d33测量仪上为测量d33压电常数提供的纵向交变力作为测量d31压电常数所需要的横向交变力，同时将测试探头分离出来，将测试探头由竖直方向旋转90°改为水平方向，然后利用准静态d33测量仪现有的测试功能得到d31测量结果，使得一台准静态d33测量仪具有d33压电常数和d31压电常数两种测试功能。同时该通用测量夹具适用范围更宽，既可以用于片形结构压电材料d31压电常数的测量，也可以用于圆管形结构压电材料d31压电常数的测量，从而节约成本；另外，该通用测量夹具测量压电材料试样的d31压电常数，与目前市面上常用的准静态d31测量仪相比，操作简单，结构简单，测量结果可靠。
为了实现上述目的，本实用新型提出了一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具，其包括：加力探头机构、第一横向测试探头机构、第二横向测试探头机构、滑动轨道11、可调节角度底座9和圆台基座10；
可调节角度底座9上安装圆台基座10，圆台基座10的台面上开设一径向贯通的凹槽，该凹槽内嵌有滑动轨道11，靠近滑动轨道11端部的1/3位置开有垂直通透螺孔，第二横向测试探头机构安装在该垂直通透螺孔上；第一横向测试探头机构沿垂直和水平方向移动，使用时，将其对准第二横向测试探头机构的中间位置，且相对放置；加力探头机构置于第一横向测试探头机构之上，且二者相连接；待测压电试样16置于圆台基座10上的滑动轨道11上，两侧用第一横向测试探头机构和第二横向测试探头机构顶住，即待测压电试样16位于第一横向测试探头机构和第二横向测试探头机构之间，待测压电试样16的相对两侧上设有电极面，第一横向测试探头机构和第二横向测试探头机构分别对应地抵在待测压电试样16的相对的带有电极面的两侧，用于测量待测压电试样16的横向压电电荷，加力探头机构位于待测压电试样16的上方，用于对待测压电试样16施加纵向作用力，根据纵向作用力和横向压电电荷，获得待测压电试样16的横向压电常数d31。
作为上述技术方案的改进之一，所述加力探头机构包括：主支架1和上加力探头8；所述第一横向测试探头机构包括：双向活动支架3、调位探头套管4、弹性测试探头拉把5和弹性测试探头6；
所述主支架1的一端在竖直方向上开有通孔，且双向活动支架3穿过该通孔；在该端部的水平方向上开有螺纹孔，纵向定位轮2旋入该螺纹孔中，用于限定和固定双向活动支架3的纵向移动；双向活动支架3的下端为正方形结构，沿左右方向开有一水平圆孔，调位探头套管4穿入其中；弹性测试探头拉把5、弹性测试探头6相互连接为一体，且二者安装在调位探头套管4内，并通过安装在正方形结构前面的横向定位轮7限定弹性测试探头6的横向移动；主支架1的另一端在竖直方向上开有通孔，且上加力探头8安装在该通孔处。其中，弹性测试探头拉把5、弹性测试探头6可在调位探头套管4内进行横向的往复运动。
作为上述技术方案的改进之一，所述上加力探头8与待测压电试样16之间插入上加压圆盘21，用于产生测量圆管形待测压电试样20的纵向作用力。
作为上述技术方案的改进之一，所述第二横向测试探头机构包括：测试探头定位旋钮12、测试探头13、第一弹性垫圈14和第二弹性垫圈15；
靠近滑动轨道11端部1/3的位置开有垂直通透螺孔，测试探头13安装在该垂直通透螺孔上，且测试探头13的两端分别对应地安装第一弹性垫圈14和第二弹性垫圈15；测试探头13上安装测试探头定位旋钮12，用于限定和固定测试探头13的位置。其中，通过旋紧或旋开测试探头定位旋钮12，滑动轨道11和测试探头13可在凹槽内横向滑动和锁定其运动。
作为上述技术方案的改进之一，所述测试探头13为圆管形结构；第一弹性垫圈14和第二弹性垫圈15均为圆环结构。
作为上述技术方案的改进之一，所述测量夹具还包括：d33测量头17和调节手轮18；可调节角度底座9通过底部的固结螺杆安装在d33测量头17上，调节手轮18安装在d33测量头17上，用于调节待测压电试样16与上加力探头8之间的距离，保证上加力探头8轻轻压在待测压电试样16上。
本实用新型相比于现有技术的有益效果在于：
本实用新型的测试夹具中的测试探头和上加力探头不仅具有灵活的纵向和水平方向的位置调节功能，而且也保留了原有的电气连接性能；通过顺时针旋转圆台基座与逆时针旋转可调节角度底座，可以将滑动轨道定位在任意位置，保证滑动轨道与弹性测试探头对正；将片形被测样品一侧的电极面通过测试探头形成线接触，其另一侧电极面由弹性测试探头顶住形成点接触，使待测压电试样可以稳定竖立在圆台基座的台面上，同时待测压电试样被上加力探头、第一横向测试探头机构、第二横向测试探头机构抵住，根据施加的纵向作用力和测量到的横向压电电荷，实现待测试样横向d31压电常数的测量。
附图说明
图1是本实用新型的一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具的结构示意图；
图2是本实用新型的一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具的主视图；
图3是本实用新型的一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具安装在d33测量头上的结构示意图；
图4是本实用新型的一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具安装在d33测量头上的主视图；
图5是本实用新型的一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具测量长方形待测压电试样的结构示意图；
图6是本实用新型的一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具测量正方形待测压电试样的结构示意图；
图7是本实用新型的一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具测量圆管形待测压电试样的结构示意图。
附图标记：
1、主支架2、纵向定位轮3、双向活动支架
4、调位探头套管5、弹性测试探头拉把6、弹性测试探头
7、横向定位轮8、上加力探头9、可调节角度底座
10、圆台基座11、滑动轨道12、测试探头定位旋钮
13、测试探头14、第一弹性垫圈15、第二弹性垫圈
16、待测压电试样17、d33测量头18、调节手轮
19、正方体待测压电试样20、圆管形待测压电试样21、上加压圆盘
具体实施方式
现结合附图对本实用新型作进一步的描述。
如图1和2所示，本实用新型提出了一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具，其包括：加力探头机构、第一横向测试探头机构、第二横向测试探头机构、滑动轨道11、可调节角度底座9和圆台基座10；
如图3和4所示，可调节角度底座9的底部固结螺杆，用于安装d33测量头17；可调节角度底座9上安装圆台基座10，圆台基座10的台面上开设一径向贯通的凹槽，该凹槽内嵌有滑动轨道11，靠近滑动轨道11端部1/3位置开有垂直通透螺孔，第二横向测试探头机构安装在该垂直通透螺孔上；第一横向测试探头机构沿垂直和水平方向移动，使用时，将其对准第二横向测试探头机构的中间位置，且相对放置；加力探头机构置于第一横向测试探头机构之上，且二者相互连接；待测压电试样16置于圆台基座10上的滑动轨道11上，两侧用第一横向测试探头机构和第二横向测试探头机构顶住，即待测压电试样16位于第一横向测试探头机构和第二横向测试探头机构之间，待测压电试样16的相对两侧上设有电极面，第一横向测试探头机构和第二横向测试探头机构分别对应地抵在待测压电试样16的相对的带有电极面的两侧，用于测量待测压电试样16的横向压电电荷，加力探头机构位于待测压电试样16的上方，用于对待测压电试样16施加纵向作用力，根据所的施加纵向作用力和测量到的横向压电电荷，获得待测压电试样16的横向压电常数d31。
作为上述技术方案的改进之一，所述加力探头机构包括：主支架1和上加力探头8；所述第一横向测试探头机构包括：双向活动支架3、调位探头套管4、弹性测试探头拉把5和弹性测试探头6；
所述主支架1的一端在竖直方向上开有通孔，且双向活动支架3穿过该通孔；在该端部的水平方向上开有螺纹孔，纵向定位轮2旋入该螺纹孔中，用于限定和固定双向活动支架3的纵向移动；双向活动支架3的一端为正方形结构，沿左右方向开有一水平圆孔，调位探头套管4穿入其中；弹性测试探头拉把5、弹性测试探头6相互连接为一体，且二者安装在调位探头套管4内，并通过安装在正方形结构前面的横向定位轮7限定弹性测试探头6的横向移动；主支架1的另一端在竖直方向上开有通孔，且上加力探头8安装在该通孔处。其中，弹性测试探头拉把5、弹性测试探头6在调位探头套管4内进行横向的往复运动。
如图1所示，当向右拉弹性测试探头拉把5时，弹性测试探头6则一起向右移动，松开弹性测试探头拉把5后，则弹性测试探头6弹回至原来的位置，即完成复位；上加力探头8安装在主支架1左端开设的通孔处，即将组合探头机构安装固定在准静态d33测量仪的测量头上原安装上加力测试探头的位置，将原有的准静态d33测量仪的上加力测试共用探头分解为纵向加力和横向测试电极的两个独立功能。上加力探头8除了对待测压电试样施加纵向作用力外，还起着对悬挂结构的组合探头机构的安装固定作用，即原来上加力探头的纵向加力功能不变，同时原有的测量探头“公共接地端”电路连接属性，也通过主支架1、纵向定位轮2、双向活动支架3、调位探头套管4、弹性测试探头拉把5、弹性测试探头6和横向定位轮7的连接保留了下来。
作为上述技术方案的改进之一，所述上加力探头8与待测压电试样16之间插入上加压圆盘21，用于产生对圆管形待测压电试样20施加的纵向作用力。
作为上述技术方案的改进之一，所述第二横向测试探头机构包括：测试探头定位旋钮12、测试探头13、第一弹性垫圈14和第二弹性垫圈15；
靠近滑动轨道11端部1/3位置开有垂直通透螺孔，测试探头13安装在该垂直通透螺孔上，且测试探头13的两端分别对应地安装第一弹性垫圈14和第二弹性垫圈15；测试探头13上安装测试探头定位旋钮12，用于限定和固定测试探头13的位置。如图1所示，其中，第一弹性垫圈14置于测试探头13的上端与测试探头定位旋钮12之间，第二弹性垫圈15置于测试探头13和滑动轨道11之间，由于滑动轨道11安装在圆台基座10的凹槽内，而圆台基座10安装在可调节角度底座9上，而可调节角度底座9的底部固结螺杆，安装在d33测量头17上；d33测量头17提供纵向交变作用产生振动时，通过第一弹性垫圈14和第二弹性垫圈15，可以有效减小测量时第二测试探头与待测压电试样16侧面之间的附加切向力，从而减小由于附加切向力的而造成的测量误差。其中，通过旋紧或旋开测试探头定位旋钮12，滑动轨道11可在凹槽内横向滑动和锁定其运动同时固定测试探头13的位置。
作为上述技术方案的改进之一，所述测试探头13为圆管形结构；第一弹性垫圈14和第二弹性垫圈15均为圆环结构。
作为上述技术方案的改进之一，如图2、3和4所示，所述滑动轨道11内嵌在凹槽内，其上表面与圆台基座10的台面齐平，且安装在滑动轨道11上的测试探头13与弹性测试探头6相对放置，二者之间的夹角为0度。
作为上述技术方案的改进之一，如图1和3所示，所述测量夹具还包括：d33测量头17和调节手轮18；d33测量头17安装在可调节角度底座9底部的固结螺杆上，调节手轮18安装在d33测量头17上，用于调节待测压电试样16与上加力探头8之间的距离，保证上加力探头8轻轻压在待测压电试样16上。
将待测压电试样16置于圆台基座10的台面上的滑动轨道11上，且位于测试探头13和弹性测试探头6之间，并将上加力探头8置于待测压电试样16的上方，具体地，如图5和6所示，将待测压电试样16置于测试探头13和弹性测试探头6之间，移动滑动轨道11和测试探头13，使二者逐渐靠近弹性测试探头6，并确保待测压电试样16两侧的电极面分别对应地与测试探头13、弹性测试探头6紧贴形成电接触，用于接收产生的压电电荷，且上加力探头8通过调节纵向定位轮2使其顶在待测压电试样16的顶部，使其纵向受力。根据d31压电常数的定义：
其中，d3为电位移；e3为电场强度；t1，s1分别为与极化方向相垂直的应力和应变；
当对待测压电试样施加的预先设定的纵向作用力是一个低频正弦波交变力，其频率远低于该待测压电试样的固有谐振频率时，该待测压电试样中的应力和应变是分布均匀的，因而被看作是准静态；基于此，公式(1)可化简为：
式中，d31为横向压电常数；f1为d33测量头17所提供的低频交变力，即上加力探头施加的纵向作用力；q3为待测压电试样受到f1作用力时，由于自身压电效应在垂直加力方向而产生的横向压电电荷；a为施加应力f1时作用在待测压电试样上的受力面积；b为待测压电试样的两侧面产生横向压电电荷q3的电极面积；k为a与b的比值，对于已知的待测压电试样，k为一个定量系数。其中，f1通过d33测量仪获得，q3通过弹性测试探头和测试探头测量获得。
因此，根据公式(2)，就可以获得待测压电试样16的横向压电常数d31。
当待测压电试样16为长方形待测压电试样时，如图5所示，将长方形待测压电试样立在位于圆台基座10上的滑动轨道11上，旋开测试探头定位旋钮12，移动滑动轨道11，使待测压电试样16位于圆台基座10的中间位置，旋紧测试探头定位旋钮12，可锁定测试探头的位置，将长方形待测压电试样置于测试探头13和弹性测试探头6之间，调节双向活动支架3和弹性测试探头拉把5，保证将长方形待测压电试样的带有电极的相对两侧面分别对应地与测试探头13和弹性测试探头6紧贴，形成电接触，同时调整调节手轮18，保证上加力探头8位于长方形待测压电试样的上方，并使其轻轻压在长方形待测压电试样上，再锁紧横向定位轮7和纵向定位轮2，打开d33测量仪开关，上加力探头8对长方形待测压电试样施加纵向作用力f1，由测试探头13和弹性测试探头6测量长方形待测压电试样的横向压电电荷q3，然后测出长方形待测压电试样6的受力面积a和电极面积b，利用公式(2)就可获得横向压电常数d31。
当待测压电试样为正方形待测压电试样时，如图6所示，对于正方形待测压电试样19，由于受力面积与产生压电电荷的面积相同，因此，公式(2)中的k＝1；待测压电试样的d31压电常数为横向压电电荷q3与测量头17通过上加力探头8所施加的纵向力f1的比值。
当待测压电试样为圆管形待测压电试样时，如图7所示，对于圆管形待测压电试样，需要在所述上加力探头8与待测压电试样16之间加装上加压圆盘21；其中，所示上加压圆盘21采用硬性非金属材料制作，其直径与圆台基座10的直径相近，上加压圆盘21的厚度在3-4mm之间，上加压圆盘21上平面的圆心处加工有一直径2-3mm，深度2mm的半圆凹坑。其中，圆管形待测压电试样20的内侧和外侧为两个带有电极的电极面，该电极面为圆曲面，且其上、下两个端面为受力面。
由于圆管形待测压电试样20是中空的，因此，上加力探头8需要通过上加压圆盘21对圆管形待测压电试样20的端面施加纵向力。具体操作如下：
拧松测试探头定位旋钮12，放置圆管形待测压电样品20在圆台基座10的中间位置，保持其位置不变条件下，同时调整滑动轨道11向右移动，使得测试探头13与圆管形待测压电样品20的内管壁接触，拧紧测试探头定位旋钮12，然后将上加压圆盘21放在圆管形待测压电样品20的上端面上，并使上加压圆盘21上面的半圆凹坑对准上加力探头8，调整位于d33测量头17上面的调节手轮18，使上加压圆盘21压住圆管形待测压电样品20的上端面，同时调节双向活动支架3和弹性测试探头拉把5，使弹性测试探头6顶住圆管形待测压电样品20的外管壁，拧紧横向定位轮7和纵向定位轮2，并固定此时的弹性测试探头6和上加力探头8的位置，其中，圆管形待测压电样品20的外管壁和圆管形待测压电样品20的内管壁均为圆曲面。打开在d33测量仪开关，d33测量头17产生低频交变作用力通过上加力探头8将纵向作用力f1施加圆管形待测压电试样20上，测试探头13和弹性测试探头6测量圆管形待测压电试样20的横向压电电荷q3，利用公式(2)，获得横向压电常数d31。
其中，为说明圆管形被测压电试样20在测量中的夹持结构，圆管形被测压电试样20在图5中给出的是被剖去四分之一的圆管形被测压电试样20的示意图。
基于此，在利用公式(2)计算圆管形待测压电试样的d31压电常数时，其中的系数k则需要通过公式(3)得到：
其中，a为圆管外半径；b为圆管内半径；h为圆管高度；ln是自然对数。
其中，由于测试探头13安装时，其上、下两端各配备了一个第一弹性垫圈14和第二弹性垫圈15，在使用中与待测压电试样的电极面(片形样品为侧面，圆管形样品为内圆曲面)为线接触，当待测压电试样的端面(或水平面)受到垂直方向的纵向力时，由于第一弹性垫圈14和第二弹性垫圈15，对测试探头13起了上下减震作用，减少了使用中待测压电试样所受到的外加切向力作用，从而保证了测量d31压电常数的准确度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
1.一种用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具，其特征在于，其包括：加力探头机构、第一横向测试探头机构、第二横向测试探头机构、滑动轨道(11)、可调节角度底座(9)和圆台基座(10)；
可调节角度底座(9)上安装圆台基座(10)，圆台基座(10)的台面上开设一径向贯通的凹槽，该凹槽内嵌有滑动轨道(11)，距离滑动轨道(11)端部的1/3位置开有垂直通透螺孔，第二横向测试探头机构安装在该垂直通透螺孔上；第一横向测试探头机构沿垂直和水平方向移动，使用时，将其对准第二横向测试探头机构的中间位置；加力探头机构置于第一横向测试探头机构之上，且二者相连接；待测压电试样(16)置于圆台基座(10)上的滑动轨道(11)上，第一横向测试探头机构和第二横向测试探头机构分别抵在待测压电试样(16)的相对的带有电极面的两侧，加力探头机构位于待测压电试样(16)的上方。
2.根据权利要求1所述的用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具，其特征在于，所述加力探头机构包括：主支架(1)和上加力探头(8)；所述第一横向测试探头机构包括：双向活动支架(3)、调位探头套管(4)、弹性测试探头拉把(5)和弹性测试探头(6)；
所述主支架(1)的一端在竖直方向上开有通孔，且双向活动支架(3)穿过该通孔；在该端部的水平方向上开有螺纹孔，纵向定位轮(2)旋入该螺纹孔中，用于限定和固定双向活动支架(3)的纵向移动；双向活动支架(3)的下端为正方形结构，沿左右水平方向开有一圆孔，调位探头套管(4)套穿入其中；弹性测试探头拉把(5)、弹性测试探头(6)相互连接为一体，且二者安装在调位探头套管(4)内，并通过安装在正方形结构前面的横向定位轮(7)限定弹性测试探头(6)的横向移动；主支架(1)的另一端在竖直方向上开有通孔，且上加力探头(8)安装在该通孔处。
3.根据权利要求2所述的用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具，其特征在于，所述上加力探头(8)与待测压电试样(16)之间插入上加压圆盘(21)，用于产生测量圆管形待测压电试样(20)的纵向作用力。
4.根据权利要求1所述的用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具，其特征在于，所述第二横向测试探头机构包括：测试探头定位旋钮(12)、测试探头(13)、第一弹性垫圈(14)和第二弹性垫圈(15)；
距离滑动轨道(11)端部的1/3位置开有垂直通透螺孔，测试探头(13)安装在该垂直通透螺孔上面，且测试探头(13)的两端分别对应地安装第一弹性垫圈(14)和第二弹性垫圈(15)；测试探头(13)上安装测试探头定位旋钮(12)，用于限定和固定测试探头(13)的位置。
5.根据权利要求4所述的用于测量压电材料的横向压电常数的通用测量夹具，其特征在于，所述测试探头(13)为圆管形结构；第一弹性垫圈(14)和第二弹性垫圈(15)均为圆环结构。
技术总结