CN103913643B - 一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法，该装置包括上、下双面金属电极片，上双面金属电极片的上下表面分别设置有第一上金属电极和第一下金属电极，第一上金属电极与上压头相接触，第一下金属电极与试件的上表面相接触；下双面金属电极片的上下表面分别设置有第二上金属电极和第二下金属电极，第二上金属电极与试件的下表面相接触，第二下金属电极与下压头相接触，上双面金属电极片的下表面电极连接地线，下双面金属电极片的上表面电极连接测量电荷信号的引线，引线依次连接电荷放大器和显示存储装置；本发明还提供了测试方法；通过施加压力测量所测材料试件的机械形变和输出电荷，能够方便、简单的实现挠曲电系数的直接测量。

Description

一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法

技术领域

本发明涉及挠曲电系数测量技术领域，具体涉及一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法。

背景技术

传统的压电式材料无论在驱动还是传感方面应用广泛，要实现这些功能离不开压电效应和材料压电系数。压电效应是指在电介质的一定方向上施加外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷。

然而在晶体学中，压电效应被严格限制在具有非中心对称结构的晶体中才存在，这大大限制了材料的选取和利用。另一方面天然的压电材料压电效应非常微弱，很难用于实际检测。目前广泛使用的压电材料主要由石英晶体和压电陶瓷，钛酸钡，镐钛酸铅(PZT)等材料。在工业上，镐钛酸铅这类压电陶瓷被大量的使用，由于镐钛酸铅含有重金属铅，对环境和人类健康都是有害的。并且压电传感器的一个明显缺点是对温度敏感，在居里温度以上压电效应失效。

与压电效应不同，挠曲电效应是指由应变梯度引起的极化现象，挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材料。挠曲电效应通常定义为：

$P_1={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ijkl}}\frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}}{{\∂x}_k}---\left(1\right)$

这里μ_ijkl是四阶挠曲电系数张量。

ε_ij是材料的弹性应变，

x_k是梯度的方向，

P_l是引起的电极化，

在国际单位制下，挠曲电系数的单位是C/m。

这里的挠曲电效应严格意义上讲指的是正挠曲电效应，逆挠曲电效应指电场梯度引起的应力现象。

挠曲电式材料选择范围更广，环境和人类友好型材料可用来制备挠曲电式传感器、驱动器等功能器件。另外一个显著的特点是与应变不同，有研究表明应变梯度是随着结构尺寸的减小而增大的，小尺寸高灵敏度的挠曲电式微型器件是可行的。

这样研究挠曲电理论和测量挠曲电系数就具有非常重要的科研工程意义，前人常规的方法是测量电流，再计算转化为电荷值，一般挠曲电产生的电流非常微弱，很难测量，需要极其精密价格高昂的仪器，本发明采用直接测量输出电荷，实验方法简单可行，测量结果精度可满足一般工程的应用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法，通过施加压力在不规则试件中导致的应变梯度与测量电荷之间的线性关系测量所测材料的挠曲电系数，能够准确、简单的测量挠曲电系数。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置，包括上双面金属电极片1和下双面金属电极片2，所述上双面金属电极片1的上下表面分别设置有第一上金属电极和第一下金属电极，第一上金属电极与上压头5相接触，第一下金属电极与试件7的上表面相接触；所述下双面金属电极片2的上下表面分别设置有第二上金属电极和第二下金属电极，第二上金属电极与试件7的下表面相接触，第二下金属电极与下压头6相接触，所述上双面金属电极片1的下表面电极连接地线3，所述下双面金属电极片2的上表面电极连接测量电荷信号的引线4，所述测量电荷信号的引线4依次连接电荷放大器8和显示存储装置9。

所述上双面金属电极片1和下双面金属电极片2为PCB板。

所述上压头5、下压头6和PCB板的刚度远大于试件的刚度。

所述地线3和测量电荷信号的引线4分别与上双面金属电极片1的下表面电极和下双面金属电极片2的上表面电极通过引线键合的方式连接。

所述试件7通过周围一圈弹性胶固定在上双面金属电极片1和下双面金属电极片2上。

所述显示存储装置9为示波器。

上述所述的测量装置的测量方法，下压头6固定，从而固定试件7的下表面；试验机对上压头5施加可控载荷，则试件7收到变化的压力，在竖直方向产生不均匀应变，从而有应变梯度，再由挠曲电效应在试件7上下表面产生极化电荷，试件7下表面电荷通过下双面金属电极片2的上表面电极经由测量电荷信号的引线4传到电荷放大器8中，转化为电压值后在显示存储装置9中显示存储；

试件受外压力而发生变形，由于应变不均匀，会在竖直方式上产生应变梯度，根据正挠曲电效应：

$P_1={\mathrm{\μ}}_{1111}\frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_{11}}{{\∂x}_1}=\frac{Q}{H^2}---\left(2\right)$

U=kQ  (3)

$\frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_{11}}{{\∂x}_1}=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_A-{\mathrm{\ϵ}}_B)}{W}=\frac{\mathrm{\ΔW}(H^2-h^2)}{W^2{H}^2}---\left(4\right)$

式中：P₁是由挠曲电效应导致的应变梯度，μ₁₁₁₁是材料试件11方向挠曲电系数，是11方向应变沿1方向的梯度，Q是下双面电极2所测到的试件输出电荷，电压值的输出量为U，k为电荷放大系数，ΔW是试件在竖直方向上的变形量，h为材料试件上表面边长，H为材料试件下表面边长，W为试件高度，ε_A是上表面应变，ε_B是下表面应变，材料杨氏模量为E，

由(2)、(3)和(4)得到试件的挠曲电系数μ：

$\mathrm{\μ}=\frac{W^{2}U}{\mathrm{\ΔWk}(H^2-h^2)}$

本发明和现有技术相比，具有以下优点：

1）本发明采用直接测量电荷，电荷放大器可以检测到微小电荷变化并放大，不需要使用高精度锁相电流放大器来测量电流，实验简单可靠。

2）所需仪器仅为位移-力控制加载机、电荷放大器和示波器，易于操作，成本较低。

3）可以直接测量电荷，不像其他方法需要将测得电流量进行转换，可直接利用测量的结果用于挠曲电系数的计算。

4）施加载荷较小、频率较低，可避免高频和大载荷带来的温度上升问题。

附图说明

附图为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

如附图所示，本发明一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置，包括上双面金属电极片1和下双面金属电极片2，所述上双面金属电极片1的上下表面分别设置有第一上金属电极和第一下金属电极，第一上金属电极与上压头5相接触，第一下金属电极与试件7的上表面相接触；所述下双面金属电极片2的上下表面分别设置有第二上金属电极和第二下金属电极，第二上金属电极与试件7的下表面相接触，第二下金属电极与下压头6相接触，所述上双面金属电极片1的下表面电极连接地线3，所述下双面金属电极片2的上表面电极连接测量电荷信号的引线4，所述测量电荷信号的引线4依次连接电荷放大器8和显示存储装置9。

所述上压头5、下压头6和PCB板的刚度应该远大于试件的刚度。这样上压头5、下压头6和PCB板的变形则远小于材料试件变形，其量值可以忽略。

作为本发明的优选实施方式，所述上双面金属电极片1和下双面金属电极片2为PCB板。

作为本发明的优选实施方式，所述地线3和测量电荷信号的引线4分别与上双面金属电极片1的下表面电极和下双面金属电极片2的上表面电极通过引线键合的方式连接。这样，由试件挠曲电效应产生的电荷就可以通过引线输出到外部测量仪器中。

所述试件7通过周围一圈弹性胶固定在上双面金属电极片1和下双面金属电极片2上。防止横向滑动。

所述显示存储装置9为示波器。

本发明测量装置的测量方法为：下压头6固定，从而固定试件7的下表面；试验机对上压头5施加可控载荷，则试件7收到变化的压力，在竖直方向产生不均匀应变，从而有应变梯度，再由挠曲电效应在试件7上下表面产生极化电荷，试件7下表面电荷通过下双面金属电极片2的上表面电极经由测量电荷信号的引线4传到电荷放大器8中，转化为电压值后在显示存储装置9中显示存储，地线3避免电极悬空，减少外界干扰；

试件受外压力而发生变形，由于应变不均匀，会在竖直方式上产生应变梯度，根据正挠曲电效应：

$P_1={\mathrm{\μ}}_{1111}\frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_{11}}{{\∂x}_1}=\frac{Q}{H^1}---\left(2\right)$

U=kQ  (3)

$\frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_{11}}{{\∂x}_1}=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_A-{\mathrm{\ϵ}}_B)}{W}=\frac{\mathrm{\ΔW}(H^2-h^2)}{W^2{H}^2}---\left(4\right)$

式中：P₁是由挠曲电效应导致的应变梯度，μ₁₁₁₁是材料试件11方向挠曲电系数，μ₁₁₁₁是11方向应变沿1方向的梯度，Q是下双面电极2所测到的试件输出电荷，电压值的输出量为U，k为电荷放大系数，ΔW是试件在竖直方向上的变形量，h为材料试件上表面边长，H为材料试件下表面边长，W为试件高度，ε_A是上表面应变，ε_B是下表面应变，材料杨氏模量为E；

由(2)、(3)和(4)得到试件的挠曲电系数μ：

$\mathrm{\μ}=\frac{W^{2}U}{\mathrm{\ΔWk}(H^2-h^2)}$

这里用的应变梯度取平均应变梯度，为更精确计算也可以具体计算测量面的应变梯度值。这样只要测量输出电荷，测量应变或者通过应力计算应变就可以得到梯度值，从而得到材料试件的挠曲电系数。

Claims (6)

1.一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量方法，所述方法采用的装置包括上双面金属电极片(1)和下双面金属电极片(2)，所述上双面金属电极片(1)的上下表面分别设置有第一上金属电极和第一下金属电极，第一上金属电极与上压头(5)相接触，第一下金属电极与试件(7)的上表面相接触；所述下双面金属电极片(2)的上下表面分别设置有第二上金属电极和第二下金属电极，第二上金属电极与试件(7)的下表面相接触，第二下金属电极与下压头(6)相接触，所述上双面金属电极片(1)的下表面电极连接地线(3)，所述下双面金属电极片(2)的上表面电极连接测量电荷信号的引线(4)，所述测量电荷信号的引线(4)依次连接电荷放大器(8)和显示存储装置(9)；其特征在于：所述测量方法为：下压头(6)固定，从而固定试件(7)的下表面；试验机对上压头(5)施加可控载荷，则试件(7)收到变化的压力，在竖直方向产生不均匀应变，从而有应变梯度，再由挠曲电效应在试件(7)上下表面产生极化电荷，试件(7)下表面电荷通过下双面金属电极片(2)的上表面电极经由测量电荷信号的引线(4)传到电荷放大器(8)中，转化为电压值后在显示存储装置(9)中显示存储； 

试件受外压力而发生变形，由于应变不均匀，会在竖直方式上产生应变梯度，根据正挠曲电效应： 

U＝kQ                   (3) 

式中：P₁是由挠曲电效应导致的应变梯度，μ₁₁₁₁是材料试件11方向挠曲电 系数，是11方向应变沿1方向的梯度，Q是下双面电极2所测到的试件输出电荷，电压值的输出量为U，k为电荷放大系数，ΔW是试件在竖直方向上的变形量，h为材料试件上表面边长，H为材料试件下表面边长，W为试件高度，ε_A是上表面应变，ε_B是下表面应变，材料杨氏模量为E； 

由(2)、(3)和(4)得到试件的挠曲电系数μ： 

2.根据权利要求1所述的一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量方法，其特征在于：所述上双面金属电极片(1)和下双面金属电极片(2)为PCB板。 

3.根据权利要求2所述的一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量方法，其特征在于：所述上压头(5)、下压头(6)和PCB板的刚度远大于试件的刚度。 

4.根据权利要求1所述的一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量方法，其特征在于：所述地线(3)和测量电荷信号的引线(4)分别与上双面金属电极片(1)的下表面电极和下双面金属电极片(2)的上表面电极通过引线键合的方式连接。 

5.根据权利要求1所述的一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量方法，其特征在于：所述试件(7)通过周围一圈弹性胶固定在上双面金属电极片(1)和下双面金属电极片(2)上。 

6.根据权利要求1所述的一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量方法，其特征在于：所述显示存储装置(9)为示波器。