CN203672533U - 一种基于pvdf的落锤试验机冲击力测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，包括PVDF压电薄膜、金属垫板以及动态数据采集仪；所述落锤试验机的锤头设有内腔，两块金属垫板水平叠放并压紧在所述锤头的内腔之中，所述PVDF压电薄膜设置在两块金属垫板之间将上下两块金属垫板完全隔开，所述PVDF压电薄膜以及金属垫板分别与锤头绝缘设置，所述锤头侧面设有接线孔，两块金属垫板从所述接线孔引出导线，并通过放电电阻与所述动态数据采集仪电连接。本实用新型将所述的PVDF压电薄膜，夹在所述的两片金属垫板之间，作为落锤试验机的冲击力测试传感元件，结构简单，稳定可靠，测量精度高。

Description

一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置

技术领域

本实用新型属于冲击力测量技术领域，具体涉及一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置。

背景技术

冲击加载试验往往需要根据不同的加载速度范围，选择相应的加载方式。在高速冲击加载时，采用分离式霍普金森压杆试验装置、泰勒杆冲击试验，或轻气炮进行加载，但对于实际工程中经常出现的冲击问题，均属于低速冲击的范畴，对于这类问题进行研究时，落锤冲击试验更加简单可靠，重复性好，通常被用来对应变率在10^-5/s～10¹/s范围内施加冲击荷载。落锤试验机是专门进行落锤试验的装置，由于能够方便的控制冲击能量的大小，被广泛应用于冲击力学研究以及产品质量控制等领域。

落锤试验机一般由质量块、锤头、导轨、提升电机、锤头释放装置、冲击试验台座等部分组成，质量块被安装在锤头上，当锤头提升到指定高度后，释放锤头，锤头和质量块沿着导轨竖直下落，施加冲击力于试件上，从而完成冲击加载过程。施加的冲击力往往是通过安装在锤头上的传感器来捕捉，比如力传感器，或者加速度传感器，测试过程中，所需设备较多，测试系统成本较高。具体来说：对于力传感器，测试时需要将力传感器的输出端接入动态应变仪，然后将动态应变仪接入动态数据采集仪；对于加速度传感器，要将加速度传感器的输出端接入电荷放大器，然后将电荷放大器接入动态数据采集仪，最后根据牛顿第二定律，将加速度值乘以锤头质量得到锤头施加在试件上的冲击力。

实用新型内容

本实用新型的技术目的是提供一种测试系统简单可靠，成本低廉的落锤试验机冲击力测量装置，以解决现有的落锤试验机冲击力测量装置，冲击力测试系统复杂，需要的测试仪器较多，成本较高的问题。

本实用新型利用PVDF（聚偏氟乙烯）材料的压电效应，提供了一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置。本实用新型采用如下技术方案：一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，包括PVDF压电薄膜12、金属垫板10以及动态数据采集仪8；所述落锤试验机的锤头1设有内腔，两块金属垫板10上下叠放并压紧在所述锤头1的内腔之中，所述PVDF压电薄膜12设置在两块金属垫板10之间将上下两块金属垫板完全隔开，所述PVDF压电薄膜12以及金属垫板分别与锤头1绝缘设置，所述锤头侧面设有接线孔15，两块金属垫板10从所述接线孔15引出导线，并通过放电电阻与所述动态数据采集仪8电连接。

所述锤头1的内腔可沿锤头上端面的中轴线铣出，锤头1的上端面与锤头连接法兰2通过锤头固定螺钉6连接将金属垫板和PVDF压电薄膜压紧，所述锤头连接法兰2的上端连接质量块3。其中，所述锤头连接法兰2上端设有质量块承台4，所述质量块3通过螺栓连接固设在所述质量块承台4上，可调整设置不同数量的质量块实现锤头重量的调整。

作为优选方案，所述PVDF压电薄膜12两面镀银。

进一步的，所述金属垫板10与PVDF压电薄膜接触的一面涂抹导电胶增加与PVDF压电薄膜的导电性，与锤头接触的另一面设置绝缘薄膜11。

所述绝缘薄膜11优选聚酰亚胺薄膜。

进一步的，所述金属垫板10的侧面与锤头1的内腔之间设置尼龙圈9，所述尼龙圈9上设有接线孔15。

在本实用新型中，两块金属垫板10的侧面均设有螺孔14，所述金属垫板10通过接线螺钉13引出导线。

进一步的，所述导线采用双芯屏蔽导线。

在本实用新型中，所述放电电阻与PVDF压电薄膜串联，所述动态数据采集仪8与所述放电电阻两端电连接，测量的是放电电阻两端的压降。

本实用新型具有如下有益效果：

1）PVDF压电薄膜具有许多优越的性能：该材料压电系数高，在面对相同的应力水平作用下，比压电陶瓷输出强度要高10倍以上；采用PVDF压电薄膜作为敏感元件的传感器具有极佳的信噪比，使得在实际测量中可以不需要噪声过滤；该压电薄膜具有纳秒级的响应速度、0～20GPa的宽幅测压范围，非常适合应用于瞬态高压的应用领域，比如爆炸与冲击作用下的应力测试；而且PVDF具有极佳的柔韧性，可以方便的加工成各种形状和厚度，机械强度高，耐久性好，质量轻，成本低廉，可重复使用。本实用新型将所述的PVDF压电薄膜，夹在所述的两片金属垫板之间，作为落锤试验机的冲击力测试传感元件，结构简单，稳定可靠。

2）PVDF压电薄膜在受到冲击荷载作用时，可视为串联着电容的电压源，其中电压源V_s代表PVDF薄膜，其输出值与传感器所经受的应力成正比；而PVDF薄膜的电容c₀可以视为一个等效容抗，测量时与放电电阻R形成分压电路。然而c₀和R同样构成一个一阶的RC振荡电路，可以视为一个高通滤波器，过滤掉振动产生的低频噪声，最大程度的减小输出信号中的干扰，测量精度高。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1为锤头结构示意图。

图2为本实用新型结构示意图。

图3为锤头内部的测量装置分解示意图。

图4为PVDF压电薄膜的测试电路图。

图中标号：1-锤头，2-锤头连接法兰，3-质量块，4-质量块承台，5-质量块固定螺栓，6-锤头固定螺钉，7-双芯屏蔽导线，8-动态数据采集仪，9-尼龙圈，10-金属垫板，11-绝缘薄膜，12-PVDF压电薄膜，13-接线螺钉，14-螺孔，15-接线孔。

具体实施方式

实施例

参见图1至图3，本实用新型提供的基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置包括PVDF压电薄膜12、金属垫板10以及动态数据采集仪8；落锤试验机的锤头1设有内腔，两块金属垫板10叠放在锤头1的内腔之中，PVDF压电薄膜12设置在两块金属垫板10之间分别与上下两块金属垫板接触，PVDF压电薄膜12以及金属垫板分别与锤头1绝缘设置，锤头侧面设有接线孔15，两块金属垫板10从接线孔15引出导线，并通过放电电阻与动态数据采集仪8电连接。

所述锤头1的上端面开设内腔，锤头1的上端面与锤头连接法兰2通过锤头固定螺钉6连接，锤头连接法兰2的上端为质量块承台4，质量块承台4上通过质量块固定螺栓5固定冲击质量块3。作为优选方案，本实施例采用PVDF压电薄膜作为敏感元件，PVDF压电薄膜为厚度50μm，直径为90mm的圆形，两面镀银，并在金属垫板10与PVDF压电薄膜接触面涂抹导电胶，保证良好的导电性能。金属垫板10与锤头接触的另一面设置绝缘薄膜11，本实施例采用的是聚酰亚胺薄膜。为了防止两块金属垫板与锤头内部发生接触，造成PVDF压电薄膜两面短路，金属垫板10的侧面与锤头1的内腔之间设置绝缘的尼龙圈9，尼龙圈9上同样设有接线孔15。两块金属垫板10的侧面均设有螺孔14，金属垫板10通过接线螺钉13引出导线。

本实施例中，导线采用双芯屏蔽导线7，放电电阻与PVDF压电薄膜串联构成一个一阶的RC振荡电路。具体参见图4，PVDF压电薄膜12在受到冲击荷载作用时，可视为串联着电容的电压源，其中电压源Vs代表PVDF压电薄膜，其输出值与传感器所经受的应力成正比；而PVDF压电薄膜12的电容c0可以视为一个等效容抗，测量时与放电电阻R形成分压电路。然而c0和R同样构成一个一阶的RC振荡电路，可以视为一个高通滤波器，过滤掉振动产生的低频噪声，最大程度的减小输出信号中的干扰。两块金属垫块和PVDF压电薄膜组成的核心组件的安装轴线与锤头冲击力作用方向一致，接线螺钉上通过双芯屏蔽导线连接放电电阻R。如图2和图4所示，PVDF压电薄膜和放电电阻R共同组成放电电路，通过动态数据采集仪记录放电电阻R两端的电压信号，可以换算得到锤头在冲击加载过程中施加的冲击力信号，具体的转换关系是：

$q\left(t\right)=\frac{Q\left(t\right)}{A}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\frac{U\left(t\right)}{A(R+X_c)}\mathrm{dt}---\left(a\right)$

$\mathrm{\σ}\left(t\right)=\frac{q\left(t\right)}{k}---\left(b\right)$

F(t)＝σ(t)A        (c)

q(t)为PVDF压电薄膜上的电荷密度，Q(t)为PVDF压电薄膜由于应力的变化而产生的电荷量，A为PVDF压电薄膜的面积，R为测试电路中的放电电阻，X_c为PVDF压电薄膜的容抗，由于测试对象为高频信号，容抗的大小与信号频率成反比，相对于100欧姆的放电电阻来说，此处的容抗可以忽略不计。σ（t）为PVDF压电薄膜处的应力，F(t)为锤头施加的冲击力，k为PVDF压电薄膜的压电系数，对于本实用新型来说，压电系数为24pC/N。

Claims (10)

1.一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：包括PVDF压电薄膜（12）、金属垫板（10）以及动态数据采集仪（8）；所述落锤试验机的锤头（1）设有内腔，两块金属垫板（10）上下叠放并压紧在所述锤头（1）的内腔之中，所述PVDF压电薄膜（12）设置在两块金属垫板（10）之间将上下两块金属垫板完全隔开，所述PVDF压电薄膜（12）以及金属垫板分别与锤头（1）绝缘设置，所述锤头侧面设有接线孔（15），两块金属垫板（10）从所述接线孔（15）引出导线，并通过放电电阻与所述动态数据采集仪（8）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：所述锤头（1）的上端面开设内腔，锤头（1）的上端面与锤头连接法兰（2）通过锤头固定螺钉（6）连接，所述锤头连接法兰（2）的上端连接质量块（3）。

3.根据权利要求2所述的一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：所述锤头连接法兰（2）上端设有质量块承台（4），所述质量块（3）通过螺栓连接固设在所述质量块承台（4）上。

4.根据权利要求1所述的一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：所述PVDF压电薄膜（12）两面镀银。

5.根据权利要求4所述的一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：所述金属垫板（10）与PVDF压电薄膜接触的一面涂抹导电胶，与锤头接触的另一面设置绝缘薄膜（11）。

6.根据权利要求5所述的一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：所述绝缘薄膜（11）为聚酰亚胺薄膜。

7.根据权利要求6所述的一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：所述金属垫板（10）的侧面与锤头（1）的内腔之间设置尼龙圈（9），所述尼龙圈（9）上设有接线孔（15）。

8.根据权利要求1所述的一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：两块金属垫板（10）的侧面均设有螺孔（14），所述金属垫板（10）通过接线螺钉（13）引出导线。

9.根据权利要求8所述的一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：所述导线采用双芯屏蔽导线。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种基于PVDF的落锤试验机冲击力测量装置，其特征在于：所述放电电阻与PVDF压电薄膜两端串联,所述动态数据采集仪（8）与所述放电电阻两端电连接用于检测电压信号。

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