本發(fā)明涉及直流電場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是涉及一種利用pvdf疊堆薄塊的逆壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)的裝置。
背景技術(shù)：
：聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride簡(jiǎn)稱pvdf)為有機(jī)壓電材料，當(dāng)在其上施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，其表面會(huì)有極化電荷出現(xiàn)，即表現(xiàn)出正壓電效應(yīng)；反之，當(dāng)沿著電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生形變，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。pvdf不僅柔性好、機(jī)械強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配、頻響范圍寬，而且pvdf能抗化學(xué)和油性腐蝕、易于加工成大面積和復(fù)雜的形狀來(lái)使用，以上優(yōu)良特性為pvdf在檢測(cè)器件與裝置上的應(yīng)用提供了可能。外加直流電場(chǎng)是眾多實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的必備條件。由于電場(chǎng)是單位距離上的電壓，即二者數(shù)值可以相互轉(zhuǎn)化。因而以下的敘述中將不對(duì)電壓、電場(chǎng)進(jìn)行區(qū)分。在有些比較精確的實(shí)驗(yàn)中并不能直接把設(shè)定的直流電壓源的電壓(電場(chǎng))認(rèn)為是其真正的輸出電壓(電場(chǎng))。原因如下：首先直流源自身電壓會(huì)產(chǎn)生一定程度的衰減；其次由于傳輸線路中各種器件內(nèi)阻的存在使得加載在實(shí)驗(yàn)部位的電場(chǎng)強(qiáng)度也不等于直流電源電壓與電極之間距離的比值。以上原因使得有必要引入相關(guān)檢測(cè)裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)中的外加直流電場(chǎng)的數(shù)值進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于直流電場(chǎng)的檢測(cè)通常是先測(cè)量直流電壓而后計(jì)算得到電場(chǎng)數(shù)值。目前市面上應(yīng)用較多的直流電壓檢測(cè)裝置是指針式萬(wàn)用表與數(shù)字式萬(wàn)用表。二者特點(diǎn)如下：指針萬(wàn)用表是一種平均值式儀表，具有直觀、形象的讀數(shù)指示。數(shù)字萬(wàn)用表是瞬時(shí)取樣式儀表，它采用一定時(shí)間間隔(一般為0.3秒)取一次樣來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果，每次取樣結(jié)果十分相近但并不完全相同，從而使得結(jié)果讀取較指針式萬(wàn)用表復(fù)雜。這兩種檢測(cè)裝置均會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果漂移的情形，且裝置內(nèi)部某個(gè)器件一旦損壞便只能報(bào)廢整個(gè)裝置。此外，以上兩種裝置內(nèi)阻的存在使其不能勝任需要精確測(cè)量電場(chǎng)的情形。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種直接檢測(cè)直流電場(chǎng)強(qiáng)度的裝置。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)速度快、不受尺寸大小限制等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種檢測(cè)直流電場(chǎng)強(qiáng)度的裝置，包括互相平行的支架和滑柱；支架和滑柱之間通過(guò)彈簧連接，滑柱底部置于垂直于支架的滑軌中；支架上設(shè)置垂直于支架的pvdf疊堆薄塊，所述pvdf疊堆薄塊由若干塊pvdf塊體依次平行于支架疊堆而成；pvdf疊堆薄塊另一端嵌在滑柱上；pvdf疊堆薄塊上下表面分別涂覆表面電極薄膜及激光反射薄膜；上下表面電極薄膜分別連接外接導(dǎo)線；支架頂端延伸出垂直于支架的長(zhǎng)桿，其位置可以隨測(cè)量需求發(fā)生變化，長(zhǎng)桿上安裝激光發(fā)射與接收裝置，與所述pvdf疊堆薄塊上的激光反射薄膜配對(duì)使用；滑柱下端一側(cè)安裝激光發(fā)射與接收裝置，位置固定且在與其相對(duì)的支架下端一側(cè)涂覆激光反射薄膜，與該激光發(fā)射與接收裝置配對(duì)使用。所述pvdf疊堆薄塊由若干塊pvdf塊體p1、p2、p3……pn依次平行于支架疊堆而成，pvdf疊堆薄塊經(jīng)平行于支架方向極化處理后使用，每個(gè)pvdf小塊的極化電壓方向即電壓正負(fù)一致但數(shù)值可以不同，在70～90℃甲基硅油中極化50～60分鐘并隨油緩慢冷卻至室溫，極化場(chǎng)強(qiáng)為100～150v/μm之間，可隨小塊序號(hào)的遞增依次增大、減小或相同。所述表面電極材料為金、鉑或?qū)щ娿y漿。所述外接導(dǎo)線分別位于上、下表面電極端部，作為測(cè)量直流電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)的接入導(dǎo)線。所述激光反射薄膜，上下表面均光滑平整。所述pvdf疊堆薄塊兩端分別嵌于支架及滑柱上，位置固定。所述檢測(cè)直流電場(chǎng)強(qiáng)度的裝置位于外罩內(nèi)部。所述每個(gè)pvdf塊體極化方向與外加直流電場(chǎng)強(qiáng)度方向相同，每個(gè)pvdf塊體同時(shí)具有長(zhǎng)度即垂直于支架方向及厚度即平行于支架方向的應(yīng)變，整個(gè)裝置不受其它外力作用，在外加直流電場(chǎng)時(shí)pvdf疊堆薄塊在長(zhǎng)度方向輸出變形量：其中δs是變形量，每個(gè)pvdf薄塊的長(zhǎng)、寬及厚度尺寸均為l0，e是外加電場(chǎng)，di是第i個(gè)pvdf小塊對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度方向的壓電系數(shù)。本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于：pvdf疊堆薄塊電場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)裝置的基本工作原理如下：當(dāng)極化后的pvdf薄塊被加載上直流電場(chǎng)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)pvdf會(huì)發(fā)生長(zhǎng)度(水平方向，在本裝置中是垂直于支架的方向)及厚度(豎直方向，在本裝置中是平行于支架的方向)方向的變形，該變形程度與加載電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)。由于pvdf的變形，激光接收器采集到的與對(duì)應(yīng)激光反射膜間的距離會(huì)與未加載電場(chǎng)時(shí)的距離有所不同，根據(jù)二者的差異即可判斷對(duì)應(yīng)的直流電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的大小。使用本發(fā)明裝置的基本測(cè)試流程為：首先使裝置的支架與外加電場(chǎng)的方向平行，支架不同位置分別固定pvdf疊堆薄塊與激光發(fā)射及接收裝置，pvdf疊堆薄塊上下表面均噴鍍等厚度的電極，電極上面覆蓋一層激光反光薄膜。將待測(cè)直流電場(chǎng)分別連接到電極端部引出的導(dǎo)線時(shí)，pvdf疊堆薄塊在逆壓電效應(yīng)的作用下產(chǎn)生形變，導(dǎo)致激光發(fā)射及接收裝置測(cè)得的與對(duì)應(yīng)激光放射膜間的距離與未加電場(chǎng)時(shí)的不同。根據(jù)距離差異便可區(qū)分出外加電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流電場(chǎng)強(qiáng)度的大小及保證實(shí)驗(yàn)時(shí)的外加條件準(zhǔn)確。本發(fā)明可以彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備的缺失，但需要注意的是：測(cè)試電場(chǎng)不能超過(guò)pvdf疊堆的許用范圍。因而在測(cè)量之初，應(yīng)該首先選用大量程的電壓測(cè)試儀表或pvdf疊堆薄塊進(jìn)行初測(cè)，了解該直流電場(chǎng)的正負(fù)及大致范圍，而后根據(jù)待測(cè)電場(chǎng)的大致范圍更換合適的pvdf疊堆進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確測(cè)試。此外，由于本裝置利用的是pvdf的壓電效應(yīng)，因而測(cè)試過(guò)程中應(yīng)該用外接導(dǎo)線的不同接入來(lái)保證測(cè)試直流電場(chǎng)的方向與pvdf疊堆薄塊的預(yù)極化方向相同，避免待測(cè)直流電場(chǎng)對(duì)pvdf疊堆薄塊造成反向極化從而影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明pvdf疊堆薄塊直流電場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)裝置實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)。圖中：1支架，2激光反射薄膜，3表面電極，4pvdf疊堆薄塊，5外罩，6滑軌，7彈簧，8外接導(dǎo)線，9滑柱，10激光發(fā)射及接收裝置。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。如圖1所示，1是支架，2是激光反射薄膜，3是表面電極，4是pvdf疊堆薄塊，5是外罩，6是滑軌，7是彈簧，8是外接導(dǎo)線，9是滑柱，10是激光發(fā)射及接收裝置。支架1與滑柱9互相平行，它們之間對(duì)應(yīng)位置安裝pvdf疊堆薄塊4，兩組激光發(fā)射及接收裝置10分別安裝在支架1與滑柱9上的不同位置：其中一組激光發(fā)射及接收裝置10安裝在支架1上端延伸出的長(zhǎng)桿上，其位置可以隨測(cè)量需求發(fā)生變化，另一組激光發(fā)射及接收裝置10安裝在滑柱9的下端一側(cè)。pvdf疊堆薄塊4由若干塊pvdf塊體p1、p2、p3……pn依次疊堆而成，pvdf疊堆薄塊4每個(gè)塊體尺寸相同，均經(jīng)過(guò)沿豎直方向的極化處理。從p1到pn的極化電壓逐漸增大、逐漸減小或相同。支柱1與滑柱9之間連有一根彈簧7，在支架1下端有與滑柱9上的激光發(fā)射及接收裝置10相對(duì)應(yīng)的激光反射薄膜2，滑柱9可沿垂直于支架1的滑軌6左右滑移。pvdf疊堆薄塊4上下表面均噴鍍等厚度的表面電極3，表面電極3上面覆蓋一層激光反光薄膜2，與激光發(fā)射及接收裝置10相對(duì)應(yīng)。激光反射薄膜2盡可能光滑平整以避免激光的散射，整個(gè)測(cè)試裝置位于外罩5內(nèi)部。上下表面電極3端部為外接導(dǎo)線8。由上述描述可見(jiàn)，本發(fā)明提供了一種利用pvdf疊堆薄塊的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)的裝置。整個(gè)使用過(guò)程分為三個(gè)階段：校準(zhǔn)、測(cè)試及驗(yàn)證。對(duì)待測(cè)電場(chǎng)進(jìn)行正式測(cè)試之前，需對(duì)該裝置進(jìn)行測(cè)試前校準(zhǔn)，依此來(lái)確認(rèn)pvdf疊堆薄塊4處于水平并剛好嵌入滑柱9與支架1對(duì)應(yīng)位置。具體校準(zhǔn)過(guò)程如下：將裝置豎直放置，即本裝置的支架是豎直狀態(tài)；設(shè)水平設(shè)方向?yàn)閤方向，豎直方向?yàn)閥方向，坐標(biāo)如圖1中所示?；?上激光發(fā)射及接收裝置10距離支架上激光反射薄膜2距離為x0，支架1伸出的長(zhǎng)桿上激光發(fā)射及接收裝置10距pvdf疊堆薄塊4的上激光反射薄膜2距離為y1。加載直流電場(chǎng)前，滑柱9上激光發(fā)射及接收裝置10測(cè)得的距離應(yīng)為x0；支架1上激光發(fā)射及接收裝置10測(cè)得的距離應(yīng)為y1。x0與y1作為外加直流電場(chǎng)前評(píng)斷pvdf疊堆薄塊4是否處于水平狀態(tài)并剛好嵌入滑柱9與支架1對(duì)應(yīng)位置的依據(jù)。同時(shí)為了后面驗(yàn)證需要這里取三個(gè)特殊塊體，在加載外加直流電場(chǎng)前將支架1的伸出長(zhǎng)桿上的激光發(fā)射及接收裝置10分別移至選定的三個(gè)薄塊上端處如p1、pn/2與pn(為了裝置實(shí)施方便，n取偶數(shù))，設(shè)其坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(xn/2，yn/2)與(xn，yn)(理論上y1＝y(tǒng)n/2＝y(tǒng)n，橫坐標(biāo)值可通過(guò)測(cè)量?jī)x器測(cè)得，縱坐標(biāo)值可通過(guò)激光發(fā)射及接收裝置10的直接測(cè)量得到)。完成以上校準(zhǔn)過(guò)程后加載直流電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)逆壓電效應(yīng)，pvdf疊堆薄塊4在x方向的輸出形變?yōu)椋浩渲衛(wèi)0為pvdf每個(gè)小塊的初始長(zhǎng)度，di為對(duì)應(yīng)滑塊的d31壓電常數(shù)，滑柱9上激光發(fā)射及接收裝置10測(cè)得的距離為與待測(cè)直流電壓加載前的距離相比，距離的變化量為：根據(jù)上述式子，利用加載直流電場(chǎng)前后的激光發(fā)射及接收裝置10測(cè)得的距離差即可算出直流電場(chǎng)強(qiáng)度e的大小。為了提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，可在正式測(cè)量之后對(duì)上述測(cè)得的直流電場(chǎng)e進(jìn)行驗(yàn)證。眾所周知：當(dāng)有外加直流電場(chǎng)時(shí)，pvdf疊堆薄塊在y方向亦發(fā)生變形。該變形導(dǎo)致若將支架1伸長(zhǎng)桿上的激光發(fā)射及接收裝置10固定在某處，加載待測(cè)直流電場(chǎng)前后激光發(fā)射及接收裝置10測(cè)得的距離發(fā)生改變。對(duì)于固定在某處的激光發(fā)射及接收裝置10，距離的改變可以由兩種方法獲得：(1)直接通過(guò)激光發(fā)射及接收裝置10分別測(cè)得電場(chǎng)加載前后的距離；(2)只測(cè)量加載電場(chǎng)前的距離，加載電場(chǎng)后的距離利用如下方法計(jì)算得到，即將之前水平方向測(cè)得的電場(chǎng)值作為已知量，對(duì)整個(gè)pvdf疊堆塊在y方向的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到該點(diǎn)的位置，從而獲得加載電場(chǎng)后的與激光發(fā)射及接收裝置10的距離。通過(guò)這兩種不同方法得到的距離改變即可作為前述測(cè)得直流電場(chǎng)數(shù)值的驗(yàn)證。由于加載電場(chǎng)前的距離均由相同的方法測(cè)出，因而該驗(yàn)證可簡(jiǎn)化為通過(guò)對(duì)比兩種方法得到加載電場(chǎng)后的距離y3(直接測(cè)出)和y3’(擬合得到)來(lái)驗(yàn)證之前測(cè)試是否可信：如果y3與y3’差別超過(guò)正常逆壓電效應(yīng)導(dǎo)致的距離差別，則可判斷pvdf疊堆已經(jīng)出現(xiàn)y方向的錯(cuò)動(dòng)，應(yīng)當(dāng)更換；否則則認(rèn)為之前的關(guān)于直流電場(chǎng)的測(cè)試有效。利用激光發(fā)射及接收裝置10可直接獲得y3，在此不做贅述。以下來(lái)詳細(xì)介紹y3’的得出。為了測(cè)試的簡(jiǎn)便，選取三個(gè)特殊塊體，即加載外加直流電場(chǎng)前薄塊p1、pn/2與pn(為了裝置實(shí)施方便，n取偶數(shù))，設(shè)其坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(xn/2，yn/2)與(xn，yn)。當(dāng)加載上待測(cè)直流電場(chǎng)后，pvdf疊堆薄塊中p1，p2，p3……pn每個(gè)薄塊的變形情況不同，激光反射薄膜2及表面電極3發(fā)生彎曲，此時(shí)雖然支架1上激光發(fā)射及接收裝置10仍能移到對(duì)應(yīng)x1，xn/2及xn處，但下端所對(duì)應(yīng)的塊體p1，pn/2及pn位置已變動(dòng)。為了較合理擬合，采用以下方式進(jìn)行等效代替，設(shè)定p1(x1，y1)、pn/2(xn/2，yn/2)、pn(xn，yn)位置在加載直流電場(chǎng)后變?yōu)閜1’(x1，y1’)、pn/2’(xn/2，yn/2’)及pn’(xn，yn’)，即對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)相同而縱坐標(biāo)不同。當(dāng)外加電場(chǎng)e(該數(shù)值即為之前通過(guò)水平方向測(cè)試得到的電場(chǎng)值)作用后，pvdf疊堆會(huì)在x，y方向產(chǎn)生應(yīng)變。所選取的三個(gè)特殊小塊在y方向的形變值為(其中每個(gè)pvdf薄塊的長(zhǎng)、寬及厚度尺寸均為l0，i取1、n/2及n，對(duì)應(yīng)的di'等于對(duì)應(yīng)塊體的d33壓電常數(shù)，這里只取三個(gè)塊體進(jìn)行計(jì)算)，該形變?cè)谪Q直方向等效果地影響上下表面反光膜的位置，則p1’、pn/2’及pn’對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)變?yōu)榕c外加直流電場(chǎng)作用下pvdf疊堆薄塊4上激光反射薄膜2及表面電極3的擬合彎曲曲線方程為：y＝ax2+bx+c，由p1’、pn/2’及pn’橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)數(shù)值代入即可算得系數(shù)a、b及c，進(jìn)而得到此擬合方程。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，若支架1上激光發(fā)射及接收裝置10在任一滑塊上端只需測(cè)得對(duì)應(yīng)的x值，即可根據(jù)公式擬合得到y(tǒng)’。將其與直接測(cè)得的加載待測(cè)電場(chǎng)后的距離y3比較，即可評(píng)估之前對(duì)于待測(cè)電場(chǎng)得到的數(shù)值是否可信。綜上所述，在所有的距離及距離變化量中：x0與y1起到校準(zhǔn)的目的，x2為反推電場(chǎng)強(qiáng)度需要的距離值，也作為判斷外加直流電場(chǎng)強(qiáng)度的根本依據(jù)與直接憑證，y3’與y3作為驗(yàn)證該次測(cè)試是否可信的依據(jù)。δs為對(duì)應(yīng)的距離變化量且與外接直流電場(chǎng)強(qiáng)度的大小直接相關(guān)。具體實(shí)施例：在70℃甲基硅油中極化60分鐘并隨油緩慢冷卻至室溫，此示例取極化電壓強(qiáng)度均為100v/μm(為了簡(jiǎn)化實(shí)施過(guò)程，每個(gè)pvdf薄塊極化電場(chǎng)強(qiáng)度取相同值，不同pvdf薄塊的壓電常數(shù)d31、d33也相同)，其中每個(gè)pvdf薄塊的長(zhǎng)、寬及厚度尺寸均為l0＝200μm，取n＝300，d31＝-30pc/n，d33＝70pc/n，x0與y1根據(jù)具體裝置尺寸不同而不同，這里取x0＝9cm，y1＝9cm。激光發(fā)射及接收裝置測(cè)的的一系列距離(位置)信息如下：待測(cè)物理量實(shí)測(cè)距離(m)x00.09y10.09x20.08991δs-0.00009可計(jì)算得到所加電場(chǎng)強(qiáng)度為50v/μm。驗(yàn)證過(guò)程：在外加電場(chǎng)前取pvdf疊堆薄塊中p1、pn/2與pn對(duì)應(yīng)中點(diǎn)坐標(biāo)為：p1(0.0799，0.09)、pn/2(0.0499，0.09)、pn(0.0201，0.09)。外加電場(chǎng)后，設(shè)定p1、pn/2、pn位置在加載直流電場(chǎng)后變?yōu)閜1’(x1，y1’)、pn/2’(xn/2，yn/2’)及pn’(xn，yn’)，即對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)相同而縱坐標(biāo)不同。所選取的三個(gè)特殊小塊在y方向的形變值為(i取1、n/2及n，對(duì)應(yīng)的di'等于對(duì)應(yīng)塊體的d33壓電常數(shù)，這里只取三個(gè)塊體進(jìn)行計(jì)算)，因每個(gè)pvdf薄塊d33相同，故此處帶入相關(guān)數(shù)值，得坐標(biāo)p1’(0.0799，0.08999965)、pn/2’(0.0499，0.08999965)及pn’(0.0201，0.08999965)，擬合彎曲曲線方程為：y＝ax2+bx+c，代入p1’、pn/2’及pn’坐標(biāo)求得：a＝b＝0，c＝0.08999965，即加載電場(chǎng)后pvdf在豎直方向發(fā)生了整體的伸長(zhǎng)，y3’始終為0.08999965。將伸長(zhǎng)桿上的激光發(fā)射與接收裝置固定在p(0.05,y3)去測(cè)量實(shí)際加載后的距離y3，得y3＝0.08999964。y3及y3’的數(shù)值基本接近，因而可判斷此次測(cè)試可信。若二者差別超出正常壓電效應(yīng)能夠?qū)е碌木嚯x差別，則可以斷定pvdf疊堆薄塊傾斜或者在豎直方向產(chǎn)生了宏觀錯(cuò)動(dòng)，此時(shí)需重新安裝pvdf疊堆薄塊并重復(fù)上述過(guò)程直至完全正確為止。當(dāng)前第1頁(yè)12