CN105424517B - 通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法，该装置包括导轨，设置在导轨上的多个绝缘滑块，绝缘滑块相邻的两两之间的上部或下部粘结有半圆弧挠曲电材料，最后一根绝缘滑块上粘结有四分之一圆弧挠曲电材料，半圆弧挠曲电材料和四分之一圆弧挠曲电材料形成蛇形位移放大结构；激光位移计将激光打在四分之一圆弧挠曲电材料的端面上，蛇形位移放大结构的上下表面涂有驱动电极，驱动电极与高压电源连接，高压电源与信号源连接；通过信号源向高压电源输送信号使蛇形位移放大结构受到均匀电场梯度而产生形变，导轨使产生的横向位移累加，通过激光位移计来测量四分之一圆弧挠曲电材料端面位移的变化情况，结合材料的力电参数，便可计算得到该挠曲电材料的逆挠曲电系数。

Description

通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法
技术领域
本发明涉及材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法。
背景技术
挠曲电效应是一种广泛存在于所有介电材料的力电耦合特性，具体是指由于应变梯度产生电极化、或由于电场梯度产生材料形变的行为。作为智能结构和智能材料的新兴研究点，挠曲电效应在航空航天、军事科学、生物制药等各个领域有广泛的潜在应用价值。逆挠曲电效应的研究目前还基本停留在理论阶段，研究逆挠曲电效应的主要内容之一就是逆挠曲电系数的研究，而逆挠曲电系数的测量由于其输出位移小，均匀电场梯度难以施加等问题的存在，一直是研究的重点和难点。
为了填充相关实验领域的空白，本发明的目的在于提供通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法。
挠曲电存在于所有电介质中，其原理早在上世纪60年代就已被提出并在一定范围内得到了极大的发展，含压电效应的材料电极化的简化描述方程为：
其中Pi,eijk,σjk,εjk,μijkl,xl分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电系数和梯度方向，等式右边第一项是因应力导致的压电效应，第二项是因应变梯度导致的梯度方向的挠曲电效应，由于在中心对称晶体中不存在压电效应，因此只有第二项存在，即
而对于逆挠曲电而言，则有
其中Tij,fijkl和Ejk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场。
由上述公式可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，分子对称晶体的等效应力与电场梯度成正比，因此，本发明采用了通过施加电场，产生电场梯度从而产生等效应力导致材料发生微小变形的方法，并对微小变形通过蛇形位移放大机构的方法进行放大，通过激光位移计测量端面产生的位移，继而测量材料的逆挠曲电系数，提高了实验的可行性和测量精度。
发明内容
为了填充相关实验领域的空白，本发明的目的在于提供通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法，即通过固定滑轨与绝缘滑块的作用使半圆弧梁和四分之一圆弧梁产生的位移得到累加，通过激光位移计测量四分之一圆弧梁一个端面的位移来测量挠曲电材料梁产生的位移，继而测量挠曲电材料的逆挠曲电系数。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，包括导轨1，设置在导轨1上的多个绝缘滑块4，其中设置在导轨1端部的绝缘滑块4固定不动，绝缘滑块4与导轨1之间涂有润滑油，所述绝缘滑块4相邻的两两之间的上部或下部粘结有半圆弧挠曲电材料2，导轨1上远离端部的绝缘滑块4的最后一根绝缘滑块4上粘结有四分之一圆弧挠曲电材料3，所述半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3形成蛇形位移放大结构；激光位移计6将激光打在四分之一圆弧挠曲电材料3的端面上，半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3的上下表面涂有驱动电极5，驱动电极5与高压电源7连接，高压电源7与信号源8连接。
所述绝缘滑块4的作用为连接挠曲电材料梁，可替换为其他连接部件。
所述绝缘滑块4体积小，绝缘滑块4与导轨之间涂有润滑油，摩擦力极小。
所述半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3采用的挠曲电材料为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性且具有较高击穿电压的材料。
所述半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3的结构为圆环状，以保证产生均匀的电场梯度。
所述导轨1采用刚度大的材料。
所述驱动电极5厚度小于半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3厚度至少一个数量级，驱动电极5的刚度远低于半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3采用的挠曲电材料的刚度。
所述半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3的外径为1‐100mm，厚度为0.1‐10mm。
上述所述的一种通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置的测量方法，测量逆挠曲电系数时，将导轨1固定不动，通过信号源8向高压电源7输送信号使高压电源7输出电压，半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3沿厚度方向产生均匀的电场梯度，半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3受到均匀电场梯度的作用而产生形变，导轨1通过绝缘滑块4使半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3产生的横向位移累加，同时，消除产生的竖向位移，激光位移计6将激光打在四分之一圆弧挠曲电材料3的端面上，通过激光位移计6来测量四分之一圆弧挠曲电材料3端面位移的变化情况，结合材料的力电参数，便能够计算得到该挠曲电材料的逆挠曲电系数。
半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：
其中Pi,εjk,μijkl,xl分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向；
而对于逆挠曲电而言，则有
其中Tij,fijkl和Ejk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场。
其中Tij,Sijkl和E分别是等效应力、等效应变和材料的弹性模量。
半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3产生的位移为：
其中R和N分别为挠曲电材料(1)的中弧线半径、半圆弧个数。
逆挠曲电系数与半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3产生的位移存在一定的关系，通过测量产生的位移，能够计算出逆挠曲电系数。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)相比于已报道的激光式测量试件，本发明所涉及的材料形状能够产生更加均匀的电场梯度，以便获得更加准确的理论描述和对力电现象的更精确的解释和描述。
2)相比于单个的环状挠曲电材料位移测量设计，本发明能够环状挠曲电材料产生的位移累加，起到位移放大的作用。
3)相比于单个的环状挠曲电材料位移测量设计，本发明通过导轨避免了其他挠曲电系数导致的等效应力对材料形变的影响，只需关心四分之一圆弧梁3的一个端面的位移变化。
总之，本发明能够实现通过蛇形位移放大结构的方法获得材料的逆挠曲电系数，弥补了现有技术的空白与不足。
附图说明
附图为本发明结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图所示，本发明通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法，包括导轨1，设置在导轨1上的多个绝缘滑块4，其中设置在导轨1端部的绝缘滑块4固定不动，绝缘滑块4与导轨1之间涂有润滑油，所述绝缘滑块4相邻的两两之间的上部或下部粘结有半圆弧挠曲电材料2，导轨1上远离端部的绝缘滑块4的最后一根绝缘滑块4上粘结有四分之一圆弧挠曲电材料3，所述半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3形成蛇形位移放大结构；激光位移计6将激光打在四分之一圆弧挠曲电材料3的端面上，半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3的上下表面涂有驱动电极5，驱动电极5与高压电源7连接，高压电源7与信号源8连接。
作为本发明的优选实施方式，所述绝缘滑块4的作用为连接挠曲电材料梁，可替换为其他连接部件，本发明采用绝缘滑块。
作为本发明的优选实施方式，所述绝缘滑块4体积较小，绝缘滑块4与导轨之间涂有润滑油，摩擦力极小。
作为本发明的优选实施方式，所述半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3采用的挠曲电材料为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性且具有较高的击穿电压的材料，如PVDF、聚四氟乙烯或钛酸锶钡等。
作为本发明的优选实施方式，所述半圆弧挠曲电材料梁2和四分之一圆弧挠曲电材料3的结构为圆环状，以保证产生均匀的电场梯度。
作为本发明的优选实施方式，所述导轨1采用刚度大的材料。
作为本发明的优选实施方式，所述驱动电极5厚度小于半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3厚度至少一个数量级，驱动电极5的刚度远低于半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3采用的挠曲电材料的刚度。
作为本发明的优选实施方式，所述半圆弧挠曲电材料梁2和四分之一圆弧挠曲电材料3外径较小为10mm，厚度较小为1mm。
如图所示，本发明的测量方法为：测量逆挠曲电系数时，将导轨1固定不动，通过信号源8向高压电源7输送信号使高压电源7输出电压，半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3沿厚度方向产生均匀的电场梯度，半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3受到均匀电场梯度的作用而产生形变，导轨1通过绝缘滑块4使半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3产生的横向位移累加，同时，消除产生的竖向位移，激光位移计6将激光打在四分之一圆弧挠曲电材料3的端面上，通过激光位移计6来测量四分之一圆弧挠曲电材料3端面位移的变化情况，结合材料的力电参数，便可计算得到该挠曲电材料的逆挠曲电系数。
所述挠曲电材料的逆挠曲电系数的计算方法如下：
半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：
其中Pi,εjk,μijkl,xl分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向；
而对于逆挠曲电而言，则有
其中Tij,fijkl和Ejk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场。
其中Tij,Sijkl和E分别是等效应力、等效应变和材料的弹性模量。
半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3产生的位移为：
其中R和N分别为挠曲电材料1的中弧线半径、半圆弧个数。
逆挠曲电系数与半圆弧挠曲电材料2和四分之一圆弧挠曲电材料3产生的位移存在一定的关系，通过测量产生的位移，能够计算出逆挠曲电系数。

Claims (8)

1.通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：包括导轨(1)，设置在导轨(1)上的多个绝缘滑块(4)，其中设置在导轨(1)端部的绝缘滑块(4)固定不动，绝缘滑块(4)与导轨(1)之间涂有润滑油，所述绝缘滑块(4)相邻的两两之间的上部或下部粘结有半圆弧挠曲电材料(2)，导轨(1)上远离端部的绝缘滑块(4)的最后一根绝缘滑块(4)上粘结有四分之一圆弧挠曲电材料(3)，所述半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)形成蛇形位移放大结构；激光位移计(6)将激光打在四分之一圆弧挠曲电材料(3)的端面上，半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)的上下表面涂有驱动电极(5)，驱动电极(5)与高压电源(7)连接，高压电源(7)与信号源(8)连接。
2.根据权利要求1所述的通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述绝缘滑块(4)体积小，绝缘滑块(4)与导轨之间涂有润滑油，摩擦力极小。
3.根据权利要求1所述的通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)采用的挠曲电材料为介电常数大于1的分子结构具有中心对称性且具有较高击穿电压的材料。
4.根据权利要求1所述的通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)的结构为圆环状，以保证产生均匀的电场梯度。
5.根据权利要求1所述的通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述导轨(1)采用刚度大的材料。
6.根据权利要求1所述的通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述驱动电极(5)厚度小于半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)厚度至少一个数量级，驱动电极(5)的刚度远低于半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)采用的挠曲电材料的刚度。
7.根据权利要求1所述的通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)的外径为1-100mm，厚度为0.1-10mm。
8.权利要求1所述的一种通过蛇形位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置的测量方法，其特征在于：测量逆挠曲电系数时，将导轨(1)固定不动，通过信号源(8)向高压电源(7)输送信号使高压电源(7)输出电压，半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)沿厚度方向产生均匀的电场梯度，半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)受到均匀电场梯度的作用而产生形变，导轨(1)通过绝缘滑块(4)使半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)产生的横向位移累加；同时消除产生的竖向位移，激光位移计(6)将激光打在四分之一圆弧挠曲电材料(3)的端面上，通过激光位移计(6)来测量四分之一圆弧挠曲电材料(3)端面位移的变化情况，结合材料的力电参数，计算得到该挠曲电材料的逆挠曲电系数；
所述计算该挠曲电材料的逆挠曲电系数的方法如下：
半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)产生的位移通过累加达到放大的作用；
半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：
其中Pi,εjk,μijkl,xl分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向；
而对于逆挠曲电而言，则有
其中Tij,fijkl和Ejk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场；
其中Tij,Sijkl和E分别是等效应力、等效应变和材料的弹性模量；
半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)产生的位移为：
其中R和N分别为挠曲电材料(1)的中弧线半径、半圆弧个数；θ为半圆弧挠曲电材料相对其圆心的角度；
逆挠曲电系数与半圆弧挠曲电材料(2)和四分之一圆弧挠曲电材料(3)产生的位移存在一定的关系，通过测量产生的位移，能够计算出逆挠曲电系数。
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