CN105572173A - 通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法，该装置包括螺旋状的挠曲电材料，分别位于挠曲电材料内、外弧面的内电极与外电极、位于挠曲电材料下端部的反光膜，位于挠曲电材料上端部与挠曲电材料固定的固定杆；信号源输出控制信号并送入高压电源，内、外电极与高压电源相电连接，高压电源向内、外电极输出高压电源，通电后材料由于逆挠曲电效应，产生微小形变，材料的螺旋机构放大了形变幅值并在位于挠曲电材料下端部产生位移的输出；激光位移计射出测量光源与位于挠曲电材料下端部的反光膜相对放置，材料形变时便可测量形变量，结合材料结构、力电参数和形变量，便可计算出挠曲电材料的逆挠曲电系数。

Description

通过螺旋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，具体涉及通过螺旋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，而由于逆挠曲电系数的测量由于其输出位移小，均匀的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。

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：

$P_i=e_{ijk}{\mathrm{\σ}}_{jk}+{\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(5\right)$

其中P_i,e_ijk,σ_jk,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电常数和梯度方向，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

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

而对于逆挠曲电而言，则有

$T_{ij}=f_{ijkl}\frac{\∂E_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中T_ij,f_ijkl和E_jk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，并通过螺旋状结构放大微小位移，继而通过挠曲电材料的总形变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螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法，本发明通过结构放大位移，具有更低的设备精度、环境隔振要求和更高的测量精度。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种通过螺旋式位移放大结构获得逆挠曲电系数的测量装置，包括螺旋状结构的挠曲电材料1，位于挠曲电材料1外弧面的外电极2和内弧面的内电极3，位于挠曲电材料1下端部的反光膜4，固定杆5与挠曲电材料1的上端部相固定，外电极2和内电极3与高压电源7输出端电连接，高压电源7输入端与信号源6的输出端电连接；还包括激光位移计8，激光位移计8射出的测量光源与反光膜4相对以测量反光膜的相对位移变化。

所述挠曲电材料1的结构为多个准圆环状形成螺旋状结构以保证产生均匀电场梯度，使形变得以积累，便于测量；其宽度为0.1-10mm、厚度为0.1-10mm、直径为1-100mm，其结构参数与材料参数相匹配，以保证挠曲电在加电压作用时，发生足够大的形变。

所述外电极2与内电极3具有远低于挠曲电材料1的刚度并具备良好的导电性。

所述激光位移计8的测量精度能够满足挠曲电材料1的形变。

上述所述的通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置的测量方法，将挠曲电材料1通过与挠曲电材料1上端部固结的固定杆固定，信号源6将电信号送至高压电源7，高压电源7将该电信号功率放大后输出至外电极2和内电极3，并使挠曲电材料1在材料的径向产生电场梯度，由于材料的逆挠曲电效应，挠曲电材料1发生微小的环向形变，挠曲电材料1的螺旋状结构能够累加多个环状部分的微小形变，其累加环向形变表现在挠曲电材料1下端部的反光膜4上，并通过与反光膜4相对的激光位移计8测量得到；结合信号源6的输出信号、高压电源7的功率放大倍数、材料的结构参数和力电参数，便能够计算得到材料的逆挠曲电系数。

挠曲电材料(1)为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

其中P_i,ε_jk,μ_ijkl,x_l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

$T_{ij}=f_{ijkl}\frac{\∂E_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中T_ij,f_ijkl和E_jk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场。

$S_{ij}=\frac{T_{ij}}{E}---\left(3\right)$

其中T_ij,S_ijkl和E分别是等效应力、等效应变和材料的弹性模量。

挠曲电材料(1)产生的位移为：

$\mathrm{\Δ}d=4N{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{\mathrm{RS}}_{ij}cos\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

其中R、N分别为挠曲电材料(1)的中弧线半径、圆弧圈数。

逆挠曲电系数与挠曲电材料(1)产生的位移存在一定的关系，通过测量挠曲电材料(1)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)相比于已报道的通过激光测量相对位移的逆挠曲电测量手段，本发明通过结构放大位移，具有更低的设备精度、环境隔振要求和更高的测量精度。

2)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。

3)相比于单个的环状挠曲电材料位移测量设计，本发明能够使环状挠曲电材料的微小形变进行累加，降低了测量精度需求，提高了实验的可操作性。

总之，本发明能够实现通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及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。

如附图所示，本发明通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法，包括将挠曲电材料1通过与挠曲电材料1上端部固结的固定杆固定，在挠曲电材料1的外弧面和内弧面分别施加外电极2和内电极3，并使外电极2和内电极3与高压电源7的输出端电连接，高压电源7的输入端与信号源6的输出端电连接；信号源6输出电信号并通过高压电源7放大后送至外电极2和内电极3，使挠曲电材料1在径向产生电场梯度，由于逆挠曲电效应，材料发生环向形变，通过螺旋状结构使环向形变累积并在挠曲电材料1下端部固定的反光膜表现该积累的总形变，激光位移计8输出的测量光源与反光膜4相对，在反光膜发生相对位置变化时，激光位移计8便能测量该形变量，结合材料的结构参数、力电参数、信号源6的信号参数和高压电源的功率放大倍数，便可计算得到挠曲电材料1的逆挠曲电系数。

所述挠曲电材料1的逆挠曲电系数的计算方法如下：

挠曲电材料(1)为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

其中P_i,ε_jk,μ_ijkl,x_l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

$T_{ij}=f_{ijkl}\frac{\∂E_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中T_ij,f_ijkl和E_jk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场。

$S_{ij}=\frac{T_{ij}}{E}---\left(3\right)$

其中T_ij,S_ijkl和E分别是等效应力、等效应变和材料的弹性模量。

挠曲电材料(1)产生的位移为：

$\mathrm{\Δ}d=4N{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{\mathrm{RS}}_{ij}cos\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

其中R、N分别为挠曲电材料(1)的中弧线半径、圆弧圈数。

逆挠曲电系数与挠曲电材料(1)产生的位移存在一定的关系，通过测量挠曲电材料(1)产生的位移，能够计算出逆挠曲电系数。

作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电材料1具有较高的介电常数、正挠曲电系数和击穿电压。

作为本发明的优选实施方式，所述外电极2和内电极3具有良好的导电性能和较低的附着刚度。

Claims (6)

1.通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：包括螺旋状结构的挠曲电材料(1)，位于挠曲电材料(1)外弧面的外电极(2)和内弧面的内电极(3)，位于挠曲电材料(1)下端部的反光膜(4)，固定杆(5)与挠曲电材料(1)的上端部相固定，外电极(2)和内电极(3)与高压电源(7)输出端电连接，高压电源(7)输入端与信号源(6)的输出端电连接；还包括激光位移计(8)，激光位移计(8)射出的测量光源与反光膜(4)相对以测量反光膜的相对位移变化。

2.根据权利要求1所述的通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述挠曲电材料(1)的结构为多个准圆环状形成螺旋状结构以保证产生均匀电场梯度，使形变得以积累，便于测量；其宽度为0.1-10mm、厚度为0.1-10mm、直径为1-100mm，其结构参数与材料参数相匹配，以保证挠曲电在加电压作用时，发生足够大的形变。

3.根据权利要求1所述的通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述外电极(2)与内电极(3)具有远低于挠曲电材料(1)的刚度并具备良好的导电性。

4.根据权利要求1所述的通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述激光位移计(8)的测量精度能够满足挠曲电材料(1)的形变。

5.权利要求1所述的通过螺旋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：将挠曲电材料(1)通过与挠曲电材料(1)上端部固结的固定杆固定，信号源(6)将电信号送至高压电源(7)，高压电源(7)将该电信号功率放大后输出至外电极(2)和内电极(3)，并使挠曲电材料(1)在材料的径向产生电场梯度，由于材料的逆挠曲电效应，挠曲电材料(1)发生微小的环向形变，挠曲电材料(1)的螺旋状结构能够累加多个环状部分的微小形变，其累加环向形变表现在挠曲电材料(1)下端部的反光膜(4)上，并通过与反光膜(4)相对的激光位移计(8)测量得到；结合信号源(6)的输出信号、高压电源(7)的功率放大倍数、材料的结构参数和力电参数，便能够计算得到材料的逆挠曲电系数。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：挠曲电材料(1)产生的位移通过累加达到放大的作用；

挠曲电材料(1)为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

其中P_i,ε_jk,μ_ijkl,x_l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

$T_{ij}=f_{ijkl}\frac{\∂E_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中T_ij,f_ijkl和E_jk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场；

$S_{ij}=\frac{T_{ij}}{E}---\left(3\right)$

其中S_ijkl和E分别是等效应变和材料的弹性模量；

挠曲电材料(1)产生的位移为：

$\mathrm{\Δ}d=4N{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{\mathrm{RS}}_{ij}cos\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

其中R、N分别为挠曲电材料(1)的中弧线半径、圆弧圈数；

逆挠曲电系数与挠曲电材料(1)产生的位移存在一定的关系，通过测量挠曲电材料(1)产生的位移，能够计算出逆挠曲电系数。