CN109341557A - 一种压电复合材料温度形变的测试方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电复合材料温度形变的测试方法和系统。该方法将含有光栅的光纤紧密贴附于待测试的压电复合材料；监测光纤光栅反射光的波长，根据光纤光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系计算光纤光栅的应变，该应变即为待测试的压电复合材料的应变。该方法至少留一个光栅用于环境补偿，用于环境补偿的光栅不与压电复合材料紧密贴附，使其应变变化仅受环境变化影响。本发明针对压电复合材料温度变形的定量测试需求，提出了采用光纤光栅传感法定量测试压电复合材料温度形变的方法，突破了压电复合材料温度形变定量测试精度控制及实时数据采集关键技术，解决了压电复合材料温度形变精确定量测试问题。

Description

一种压电复合材料温度形变的测试方法和系统

技术领域

本发明属于换能器技术、压电复合材料技术领域，具体涉及一种压电复合材料温度形变的测试方法和系统。

背景技术

海洋作为地球上尚未充分开发利用的最大领域，在解决人口、资源、环境方面的矛盾有着很大的潜能。水下通信、水下预警、水下制导系统等技术需要先进的声纳系统支撑。换能器作为声呐系统的“耳目”，其地位类似于雷达中的天线。随着现代大规模集成电路的迅速发展，信号处理技术已日趋完善，制约声呐发展的重要因素是换能器的发展水平。而其中的一类高频(100KHz以上)换能器作为高频声呐的核心功能部件，对潜艇、舰船、水下无人航行器(UUV)等装备的短程探测、定位、精细成像等功能起到关键作用。

目前高频换能器的发展方向主要是宽频带、大波束开角、高分辨率。因为较宽的工作频带不仅可覆盖更宽的声信道，而且宽带信号相干处理，可使系统获得更强的增益和更远的探测距离，对宽带信号进行脉冲压缩，也可提高换能器基阵的分辨率；较大的波束开角可扩展声呐的探测范围及观测视野；而较高的分辨率可提高目标成像的质量，以及小目标的识别能力。

由于1-3型压电复合材料的Q_m值较低、易于实现高频单模振动，另外其特有的复合结构及制备工艺，使材料形状成型曲面成为可能，因此现行的宽带大波束开角高频换能器主要采用压电复合材料制作，人们通过开发复合材料的弧面成型工艺，以及设计各种支撑结构来实现换能器的高频、宽带、大波束开角等功能。

但目前尚无专门的检测方法来测试压电复合材料性能，其大部分性能参数的测量通常参照压电陶瓷材料性能测试方法进行。例如，压电复合材料密度的测试可参照GB2413-81压电陶瓷材料体积密度测量方法；压电应变常数的测试可参照GB 11309-89压电陶瓷材料性能测试方法(纵向压电应变常数d₃₃的准静态测试)。压电复合材料是由压电陶瓷和聚合物按照一定规则复合构成的，压电陶瓷的体积—温度膨胀(收缩)系数与聚合物的不同，导致压电复合材料在温度变化时产生不同程度的形变。与压电复合材料不同，压电陶瓷材料是烧结成瓷的致密单相材料，形变很小，对换能器性能的影响几乎可忽略，因此也不需要对其进行测试。然而，压电复合材料温度形变的定量测试又是迫切需要解决的问题，这是因为压电复合材料的弯曲形变会对换能器和声呐系统造成如下影响：(1)频率漂移，影响换能器阵基元频率一致性，导致换能器阵性能下降；(2)造成换能器的波束开角变化，进而使声呐系统定位精度降低；(3)导致压电复合材料与换能器背衬剥离，降低了换能器的耐水压能力；(4)严重的变形会使压电复合材料断裂，导致换能器完全损毁。

因此，开展压电复合材料温度形变的测试方法研究可为换能器用压电复合材料的筛选提供可靠依据，并可促进压电复合材料设计和制备工艺的改进，对换能器及声呐系统性能的提升都具有重大意义。

目前国外对压电材料相关参数测试的研究主要依据美国国家标准局(AmericanNational Standards Institute,ANSI)出版的《IEEE Standard on Piezoelectricity》(ANSI/IEEE Std 176-1987)标准。该标准对压电材料的形变、介电性能及压电性能的温度特性测试做了总体概念性描述，但未针对某一特定参数作详细研究。

国内压电复合材料性能参数的测试一直未形成行业标准，随着压电复合材料在水声换能器中的应用范围不断扩大，企业为控制其产品质量，参照压电陶瓷的测试方法制定了复合材料各项性能的测试方法，对于压电复合材料介电常数温度特性及频率温度特性的测试一直参考压电陶瓷的测试标准及规范。由于压电陶瓷随温度形变微小，这些标准及规范未考虑形变对参数的影响。但压电复合材料形变量大，这些标准及规范不能对压电复合材料温度形变进行准确的测试。

现有技术中测量应变的方法主要有：应变片电测法、光纤光栅法、光弹性法及双目立体视觉法。这四种方法测试原理各不相同，其优缺点对比如表1：

表1.四种应变测试方法对比

从表1可以看出，光纤光栅法具有精度高、易于构建分布式测量系统的优点，在使用该方法时重点考虑温度解耦。

发明内容

本发明提供一种压电复合材料温度形变的测试方法和系统，以解决压电复合材料温度形变的精确定量测试问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种压电复合材料温度形变的测试方法，包括以下步骤：

1)将含有光栅的光纤紧密贴附于待测试的压电复合材料；

2)监测光纤光栅反射光的波长，根据光纤光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系计算光纤光栅的应变，该应变即为待测试的压电复合材料的应变。

进一步地，在同一根光纤上制作多个光栅，并使用同一根光纤上的光栅测试压电复合材料不同位置的应变，将不同位置的应变值取平均值后得到压电复合材料的平均应变值，将平均应变值乘以总长度或总面积得到总形变。

进一步地，所述光纤光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系为：

其中，λ为光纤光栅反射光的波长，Δλ为光纤光栅反射光的波长变化量，ε为光栅轴向应变，P为泊松比。

进一步地，将环境因素的变化引起的光纤光栅反射光的波长变化量排除。具体地，将光栅布于测试点，并至少留一个光栅用于环境补偿，用于环境补偿的光栅不与压电复合材料紧密贴附，使其应变变化仅受环境变化影响；测试完成后将贴附于压电复合材料的光栅数据与用于环境补偿的光栅数据相减，即可将环境因素排除。

进一步地，设在温度T时测试点1所测得的总应变ε₁＝ε_T+ε_E，其中ε_T为温度为T时压电复合材料的应变，ε_E为环境因素引起的光纤光栅应变，则温度为T时压电复合材料的应变ε_T＝ε₁-ε_E。

进一步地，通过光纤光栅解调仪监测光纤光栅反射光的波长。

一种采用上面所述方法的压电复合材料温度形变的测试系统，其包括：

高低温实验箱，用于营造压电复合材料自身温度上升的使用环境；

解调仪，用于监测光纤光栅反射光的波长；

阻抗分析仪，用于测量压电复合材料的性能参数；

计算机，用于对解调仪、阻抗分析仪获得的测试数据进行计算、分析和处理，获得压电复合材料的应变值。

本发明针对压电复合材料温度变形的定量测试需求，首次提出了采用光纤光栅传感法定量测试压电复合材料温度形变的方法，突破了压电复合材料温度形变定量测试精度控制及实时数据采集关键技术，解决了压电复合材料温度形变精确定量测试问题。

本发明的压电复合材料温度形变的测试方法可为换能器用压电复合材料的筛选提供可靠依据，同时可促进压电复合材料设计和制备工艺的改进，提升换能器及声呐系统的性能。具体来说，本发明的有益效果如下：

1)对压电复合材料的温度形变提供测试方法，对压电复合材料相关性能参数的精确检测及质量控制具有重要意义；

2)通过压电复合材料温度形变的精确测量，控制其形变在许可范围，以保证换能器性能的稳定性；

3)进一步促进压电复合材料设计和制备工艺的改进；

4)对换能器及声呐系统环境适应性的提升具有重大意义。

附图说明

图1.光纤光栅示意图。

图2.形变测试示意图。

图3.光纤传感法所测得的压电复合材料平均应变随温度的变化图。

图4.压电复合材料温度形变的测试系统的组成及连接关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

实施例1：压电复合材料温度形变的测试方法

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅。常用方法是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。

光纤光栅反射光的波长变化量与应变的关系如下：

其中，λ为光纤光栅反射光的波长，Δλ为光纤光栅反射光的波长变化量，ε为光栅轴向应变，P为泊松比。

对于典型的石英光纤，光纤光栅反射光的波长变化量Δλ与应变ε的关系如下：

Δλ/λ＝0.78ε。

将光纤紧密贴附于测试试样，使光纤应变与试样应变相同，则所测得的光纤应变即为试样的应变。通过光纤光栅解调仪监测光纤光栅反射光的波长λ，并通过相应的程序对测试数据进行计算、分析和处理，即可获得应变值。

试样的应变与光纤光栅轴向应变相等，则试样的应变ε与光纤光栅反射光的波长λ及波长变化量Δλ的关系如下：

Δλ/λ＝0.78ε

由于温度、湿度、气压等环境因素的变化同样会作用于光纤光栅，从而引起光纤光栅波长的变化，因此引起波长变化的除了试样形变外还有温度、湿度、气压等环境因素。在测试时应考虑将环境因素排除。

在同一根光纤上制作多个光栅，并使用同一根光纤上的光栅测试试样不同位置的应变可大大减少工艺不一致性带来的误差。如图1所示，设计适用于试样测试的光栅周期，例如，光栅长10mm，光栅与光栅间距20mm。光栅长度及光栅与光栅的间距可随试样测试具体需求自行设计。

测试时将光栅布于待测点，并至少留一个光栅用于环境补偿，如图2所示，该图中示意了压电复合材料基体、光纤光栅(包括用于环境补偿的光栅)、胶结层。用于环境补偿的光栅不要与试样粘贴，使其应变变化仅受环境变化影响。测试完成后将贴于试样的光栅数据与未贴于试样的光栅数据(即作为环境补偿的数据)相减，即可将环境因素排除。

则温度T时试样测试点1所测得的总应变ε₁＝ε_T+ε_E，其中ε_T为温度为T时试样的应变，ε_E为环境因素引起的光纤光栅应变。则：

温度为T时试样的应变ε_T＝ε₁-ε_E。将某方向所测不同点的应变值取平均值后可得到试样在某方向的平均应变值ε_A，将平均应变值乘以总长度或总面积即可得到总形变E。

目前，已采用本发明方法对压电复合材料的温度形变进行了实验。实验选取在同一根上刻有5个光栅的光纤传感器。其中4个紧密贴于待测的关注位置，所用粘接剂为应变测试专用粘接剂，保证测试结果的准确性。从图3可以看出，曲线基本成线性，结果验证了采用光纤光栅传感法测试压电复合材料温度形变的可行性。

实施例2：压电复合材料温度形变的测试系统

本实施例提供一种采用上述方法的压电复合材料温度形变的测试系统。该测试系统的组成及连接关系如图4所示。对各部分的功能说明如下：

高低温实验箱；用于营造压电复合材料自身温度上升的使用环境；

解调仪：用于监测光纤光栅反射光的波长；

阻抗分析仪：用于测量压电复合材料的谐振频率、电容等性能参数；

计算机：用于对解调仪、阻抗分析仪获得的测试数据进行计算、分析和处理，获得应变值、形变值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种压电复合材料温度形变的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将含有光栅的光纤紧密贴附于待测试的压电复合材料；

2)监测光纤光栅反射光的波长，根据光纤光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系计算光纤光栅的应变，该应变即为待测试的压电复合材料的应变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在同一根光纤上制作多个光栅，并使用同一根光纤上的光栅测试压电复合材料不同位置的应变，将不同位置的应变值取平均值后得到压电复合材料的平均应变值，将平均应变值乘以总长度或总面积得到总形变。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系为：

其中，λ为光纤光栅反射光的波长，Δλ为光纤光栅反射光的波长变化量，ε为光栅轴向应变，P为泊松比。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于石英光纤，所述光纤光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系为：Δλ/λ＝0.78ε。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，其特征在于，将环境因素的变化引起的光纤光栅反射光的波长变化量排除。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将光栅布于测试点，并至少留一个光栅用于环境补偿，用于环境补偿的光栅不与压电复合材料紧密贴附，使其应变变化仅受环境变化影响；测试完成后将贴附于压电复合材料的光栅数据与用于环境补偿的光栅数据相减，即可将环境因素排除。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，设在温度T时测试点1所测得的总应变ε₁＝ε_T+ε_E，其中ε_T为温度为T时压电复合材料的应变，ε_E为环境因素引起的光纤光栅应变，则温度为T时压电复合材料的应变ε_T＝ε₁-ε_E。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过光纤光栅解调仪监测光纤光栅反射光的波长。

9.一种采用权利要求1所述方法的压电复合材料温度形变的测试系统，其特征在于，包括：

高低温实验箱，用于营造压电复合材料自身温度上升的使用环境；

解调仪，用于监测光纤光栅反射光的波长；

阻抗分析仪，用于测量压电复合材料的性能参数；

计算机，用于对解调仪、阻抗分析仪获得的测试数据进行计算、分析和处理，获得压电复合材料的应变值。