CN105572184B - 一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法，包括基板，位于基板上的固定台，刚性连接于固定台上的挠曲电材料，附着于挠曲电材料弧面的驱动电极及端面的电容电极，与信号源电连接的高压电源，高压电源与驱动电极电连接；通过电容测量电路测量挠曲电材料端面间电容值变化；通过信号源向高压电源输送驱动信号使挠曲电材料受到电压作用，产生均匀电场梯度而产生形变致使端面间等效电容变化，通过电容变化量便可计算得到该挠曲电材料的逆挠曲电系数。

Description

一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法。
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量级小，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。
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
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压，使材料上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，并对微小变形的测量采用差分式的电容变化测量方法，继而测量材料的逆挠曲电系数，放大了位移量，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一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法，本发明能够实现基于电容变化获得材料的逆挠曲电系数，弥补了现有技术的空白与不足。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置，包括基板1，位于基板上的左固定台2和右固定台3，分别与左固定台2和右固定台3刚性连接的材料与结构完全相同、相对放置的左挠曲电材料4和右挠曲电材料5，附着在左挠曲电材料4和右挠曲电材料5上下弧面上的驱动电极6，附着在左挠曲电材料4和右挠曲电材料5端面的电容电极7，控制电压驱动量的信号源8与高压电源9相电连接，高压电源9与驱动电极6相电连接；电容测量电路10与电容电极7相电连接。
所述带有导轨槽的基板1的刚度远大于左挠曲电材料4和右挠曲电材料5。
所述驱动电极6具有远低于左挠曲电材料4和右挠曲电材料5的刚度并具备良好的导电性。
所述左挠曲电材料4和右挠曲电材料5的结构为部分圆环状以保证施加电压时沿径向产生均匀电场梯度。
所述电容测量电路10测量精度能够满足电容变化要求；左挠曲电材料4和右挠曲电材料5的形变量通过电容变化信号表现。
上述所述的基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置的测量方法，通过电容测量电路10测量左挠曲电材料4和右挠曲电材料5端面间的电容值变化；再通过信号源8向高压电源9输送信号使左挠曲电材料4和右挠曲电材料5受到均匀电场梯度而产生形变，致使端面间距发生变化，导致等效电容发生变化，电容测量电路10获得新的电容值，同时记录信号源8的输出情况；通过电容变化量和信号源8的输出情况，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。
由于左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)位移的变化导致电容发生变化，具体变化情况如下：
左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)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Sijkl和E分别是等效应变和材料的弹性模量；
左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)产生的位移为：
其中R为左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)的中弧线半径；
电容变化量为：
其中d、S、ε、k分别是左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)施加电压前的端面间距、极板面积、介电常数、静电力系数。
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，本发明倍增了位移量，且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，本发明能够避免因其他向系数导致的等效应力对材料形变测量的影响，即只需关心电容电极7相对距离的大小而非整个形状的变化。
总之，本发明能够实现基于电容变化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，一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法，包括基板1，位于基板上的左固定台2和右固定台3，分别刚性连接于左固定台2和右固定台3上、材料和结构完全相同、位置相对放置的左挠曲电材料4和右挠曲电材料5，附着于左挠曲电材料4和右挠曲电材料5弧面的驱动电极6及附着于左挠曲电材料4和右挠曲电材料5端面的电容电极7；用于输出控制信号的信号源8，与信号源8电连接的高压电源9，高压电源9与驱动电极6电连接；电容测量电路10与电容电极7相电连接。测量逆挠曲电系数时，通过电容测量电路10测量左挠曲电材料4和右挠曲电材料5端面间的电容值；再通过信号源8向高压电源9输送信号使左挠曲电材料4和右挠曲电材料5受到均匀电场梯度而产生形变，致使端面相对位置发生变化，导致等效电容发生变化，电容测量电路10获得新的电容值同时记录信号源8的输出情况；通过电容变化量和信号源8的输出情况，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。
左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)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Sijkl和E分别是等效应变和材料的弹性模量。
左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)产生的位移为：
其中R为左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)的中弧线半径。
电容变化量为：
其中d、S、ε、k分别是左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)施加电压前的端面间距、极板面积、介电常数、静电力系数。
作为本发明的优选实施方式，所述左挠曲电材料4和右挠曲电材料5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，所述驱动电极6和电容电极7具有良好的导电性能和较低的附着刚度。

Claims (6)

1.一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置，其特征在于：包括基板(1)，位于基板上的左固定台(2)和右固定台(3)，分别与左固定台(2)和右固定台(3)刚性连接的材料与结构完全相同、相对放置的左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)，附着在左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)上下弧面上的驱动电极(6)，附着在左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)端面的电容电极(7)，控制电压驱动量的信号源(8)与高压电源(9)相电连接，高压电源(9)与驱动电极(6)相电连接；电容测量电路(10)与电容电极(7)相电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置，其特征在于：所述基板(1)的刚度远大于左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)。
3.根据权利要求1所述的一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置，其特征在于：所述驱动电极(6)具有远低于左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)的刚度并具备良好的导电性。
4.根据权利要求1所述的一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置，其特征在于：所述左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)的结构为部分圆环状以保证施加电压时沿径向产生均匀电场梯度。
5.根据权利要求1所述的一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置，其特征在于：所述电容测量电路(10)测量精度能够满足电容变化要求；左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)的形变量通过电容变化信号表现。
6.权利要求1所述的基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置的测量方法，其特征在于：测量逆挠曲电系数时，通过信号源(8)向高压电源(9)输送信号使左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)受到均匀电场梯度而产生形变，致使端面间距发生变化，导致等效电容发生变化，电容测量电路(10)获得新的电容值；通过电容变化量和信号源(8)的输出情况，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；
由于左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)位移的变化导致电容发生变化，具体变化情况如下：
左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)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Sij和E分别是等效应变和材料的弹性模量；
左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)产生的位移为：
其中R为左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)的中弧线半径；θ为左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)相对其圆心的角度；
电容变化量为：
其中d、S、ε、k分别是左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)施加电压前的端面间距、极板面积、介电常数、静电力系数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1439386A1 (en) * 2001-09-28 2004-07-21 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Oil deterioration sensor
CN103913643A (zh) * 2014-03-25 2014-07-09 西安交通大学 一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法
CN104406846A (zh) * 2014-11-28 2015-03-11 西安交通大学 利用挠曲电效应的霍普金森杆应力波测量系统和测量方法
CN104457964A (zh) * 2014-11-28 2015-03-25 西安交通大学 一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010078555A2 (en) * 2009-01-02 2010-07-08 Waveon Technologies, Inc. Capacitive and resistive conductivity engine oil analyzer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1439386A1 (en) * 2001-09-28 2004-07-21 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Oil deterioration sensor
CN103913643A (zh) * 2014-03-25 2014-07-09 西安交通大学 一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法
CN104406846A (zh) * 2014-11-28 2015-03-11 西安交通大学 利用挠曲电效应的霍普金森杆应力波测量系统和测量方法
CN104457964A (zh) * 2014-11-28 2015-03-25 西安交通大学 一种基于挠曲电原理的双轴振动传感器

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