通過蛇形位移放大結(jié)構(gòu)測(cè)量逆撓曲電系數(shù)的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料科學(xué)中的力電耦合技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及通過蛇形位移放大結(jié)構(gòu)測(cè) 量逆撓曲電系數(shù)的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 撓曲電效應(yīng)是一種廣泛存在于所有介電材料的力電耦合特性，具體是指由于應(yīng)變 梯度產(chǎn)生電極化、或由于電場(chǎng)梯度產(chǎn)生材料形變的行為。作為智能結(jié)構(gòu)和智能材料的新興 研究點(diǎn)，撓曲電效應(yīng)在航空航天、軍事科學(xué)、生物制藥等各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值。 逆撓曲電效應(yīng)的研究目前還基本停留在理論階段，研究逆撓曲電效應(yīng)的主要內(nèi)容之一就是 逆撓曲電系數(shù)的研究，而逆撓曲電系數(shù)的測(cè)量由于其輸出位移小，均勻電場(chǎng)梯度難以施加 等問題的存在，一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
[0003] 為了填充相關(guān)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的空白，本發(fā)明的目的在于提供通過蛇形位移放大結(jié)構(gòu)測(cè) 量逆撓曲電系數(shù)的裝置及方法。
[0004] 撓曲電存在于所有電介質(zhì)中，其原理早在上世紀(jì)60年代就已被提出并在一定范 圍內(nèi)得到了極大的發(fā)展，含壓電效應(yīng)的材料電極化的簡(jiǎn)化描述方程為：
[0005]
(5)
[0006] 其中eljk, 〇 jk,εjk,μijkl, 1丨分別為極化程度，壓電常數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變、撓曲電系 數(shù)和梯度方向，等式右邊第一項(xiàng)是因應(yīng)力導(dǎo)致的壓電效應(yīng)，第二項(xiàng)是因應(yīng)變梯度導(dǎo)致的梯 度方向的撓曲電效應(yīng)，由于在中心對(duì)稱晶體中不存在壓電效應(yīng)，因此只有第二項(xiàng)存在，即
[0007]
(.1)
[0008] 而對(duì)于逆撓曲電而言，則有
[0009]
(2)
[0010] 其中IVj，fljkl和Ejk分別是等效應(yīng)力、逆撓曲電系數(shù)和施加的電場(chǎng)。
[0011] 由上述公式可以看出，在材料、試件等條件一定的情況下，分子對(duì)稱晶體的等效應(yīng) 力與電場(chǎng)梯度成正比，因此，本發(fā)明采用了通過施加電場(chǎng)，產(chǎn)生電場(chǎng)梯度從而產(chǎn)生等效應(yīng)力 導(dǎo)致材料發(fā)生微小變形的方法，并對(duì)微小變形通過蛇形位移放大機(jī)構(gòu)的方法進(jìn)行放大，通 過激光位移計(jì)測(cè)量端面產(chǎn)生的位移，繼而測(cè)量材料的逆撓曲電系數(shù)，提高了實(shí)驗(yàn)的可行性 和測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 為了填充相關(guān)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的空白，本發(fā)明的目的在于提供通過蛇形位移放大結(jié)構(gòu)測(cè) 量逆撓曲電系數(shù)的裝置及方法，即通過固定滑軌與絕緣滑塊的作用使半圓弧梁和四分之一 圓弧梁產(chǎn)生的位移得到累加，通過激光位移計(jì)測(cè)量四分之一圓弧梁一個(gè)端面的位移來測(cè)量 撓曲電材料梁產(chǎn)生的位移，繼而測(cè)量撓曲電材料的逆撓曲電系數(shù)。
[0013] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0014] 通過蛇形位移放大結(jié)構(gòu)測(cè)量逆撓曲電系數(shù)的裝置，包括導(dǎo)軌1，設(shè)置在導(dǎo)軌1上的 多個(gè)絕緣滑塊4,其中設(shè)置在導(dǎo)軌1端部的絕緣滑塊4固定不動(dòng)，絕緣滑塊4與導(dǎo)軌1之間 涂有潤(rùn)滑油，所述絕緣滑塊4相鄰的兩兩之間的上部或下部粘結(jié)有半圓弧撓曲電材料2,導(dǎo) 軌1上遠(yuǎn)離端部的絕緣滑塊4的最后一根絕緣滑塊4上粘結(jié)有四分之一圓弧撓曲電材料3， 所述半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3形成蛇形位移放大結(jié)構(gòu)；激光位移 計(jì)6將激光打在四分之一圓弧撓曲電材料3的端面上，半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓 弧撓曲電材料3的上下表面涂有驅(qū)動(dòng)電極5,驅(qū)動(dòng)電極5與高壓電源7連接，高壓電源7與 信號(hào)源8連接。
[0015] 所述絕緣滑塊4的作用為連接撓曲電材料梁，可替換為其他連接部件。
[0016] 所述絕緣滑塊4體積小，絕緣滑塊4與導(dǎo)軌之間涂有潤(rùn)滑油，摩擦力極小。
[0017] 所述半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3采用的撓曲電材料為介電 常數(shù)大于1的分子結(jié)構(gòu)具有中心對(duì)稱性且具有較高擊穿電壓的材料。
[0018] 所述半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3的結(jié)構(gòu)為圓環(huán)狀，以保證 產(chǎn)生均勻的電場(chǎng)梯度。
[0019] 所述導(dǎo)軌1采用剛度大的材料。
[0020] 所述驅(qū)動(dòng)電極5厚度小于半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3厚度 至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，驅(qū)動(dòng)電極5的剛度遠(yuǎn)低于半圓弧梁2和四分之一圓弧梁3采用的撓曲電 材料的剛度。
[0021] 所述半圓弧梁2和四分之一圓弧梁3的外徑為l-100mm，厚度為0.l-10mm。
[0022] 上述所述的一種通過蛇形位移放大結(jié)構(gòu)測(cè)量逆撓曲電系數(shù)的裝置的測(cè)量方法，測(cè) 量逆撓曲電系數(shù)時(shí)，將導(dǎo)軌1固定不動(dòng)，通過信號(hào)源8向高壓電源7輸送信號(hào)使高壓電源7 輸出電壓，半圓弧燒曲電材料2和四分之一圓弧燒曲電材料3沿厚度方向產(chǎn)生均勾的電場(chǎng) 梯度，半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3受到均勻電場(chǎng)梯度的作用而產(chǎn)生 形變，導(dǎo)軌1通過絕緣滑塊4使半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3產(chǎn)生的 橫向位移累加，同時(shí)，消除產(chǎn)生的豎向位移，激光位移計(jì)6將激光打在四分之一圓弧撓曲電 材料3的端面上，通過激光位移計(jì)6來測(cè)量四分之一圓弧撓曲電材料3端面位移的變化情 況，結(jié)合材料的力電參數(shù)，便能夠計(jì)算得到該撓曲電材料的逆撓曲電系數(shù)。
[0023] 半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3為中心對(duì)稱晶體不存在壓電效 應(yīng)，材料電極化簡(jiǎn)單描述為：
[0024]
(.1)
[0025] 其中Pd εjk,μijkl,Xl*別為極化程度、應(yīng)變、撓曲電系數(shù)和梯度方向；
[0026] 而對(duì)于逆撓曲電而言，則有
[0027]
(2)
[0028] 其中T^，fljkl和Ejk分別是等效應(yīng)力、逆撓曲電系數(shù)和施加的電場(chǎng)。
[0029]
(3)
[0030] 其中L，Sljkl和E分別是等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和材料的彈性模量。
[0031] 半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3產(chǎn)生的位移為：
[0032]
(4)
[0033] 其中R和N分別為撓曲電材料（1)的中弧線半徑、半圓弧個(gè)數(shù)。
[0034] 逆撓曲電系數(shù)與半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3產(chǎn)生的位移存 在一定的關(guān)系，通過測(cè)量產(chǎn)生的位移，能夠計(jì)算出逆撓曲電系數(shù)。
[0035] 本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0036] 1)相比于已報(bào)道的激光式測(cè)量試件，本發(fā)明所涉及的材料形狀能夠產(chǎn)生更加均勻 的電場(chǎng)梯度，以便獲得更加準(zhǔn)確的理論描述和對(duì)力電現(xiàn)象的更精確的解釋和描述。
[0037] 2)相比于單個(gè)的環(huán)狀撓曲電材料位移測(cè)量設(shè)計(jì)，本發(fā)明能夠環(huán)狀撓曲電材料產(chǎn)生 的位移累加，起到位移放大的作用。
[0038] 3)相比于單個(gè)的環(huán)狀撓曲電材料位移測(cè)量設(shè)計(jì)，本發(fā)明通過導(dǎo)軌避免了其他撓曲 電系數(shù)導(dǎo)致的等效應(yīng)力對(duì)材料形變的影響，只需關(guān)心四分之一圓弧梁3的一個(gè)端面的位移 變化。
[0039] 總之，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)通過蛇形位移放大結(jié)構(gòu)的方法獲得材料的逆撓曲電系數(shù)， 彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的空白與不足。
【附圖說明】
[0040] 附圖為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0042] 如圖所示，本發(fā)明通過蛇形位移放大結(jié)構(gòu)測(cè)量逆撓曲電系數(shù)的裝置及方法，包括 導(dǎo)軌1，設(shè)置在導(dǎo)軌1上的多個(gè)絕緣滑塊4,其中設(shè)置在導(dǎo)軌1端部的絕緣滑塊4固定不動(dòng)， 絕緣滑塊4與導(dǎo)軌1之間涂有潤(rùn)滑油，所述絕緣滑塊4相鄰的兩兩之間的上部或下部粘結(jié) 有半圓弧撓曲電材料2,導(dǎo)軌1上遠(yuǎn)離端部的絕緣滑塊4的最后一根絕緣滑塊4上粘結(jié)有四 分之一圓弧撓曲電材料3，所述半圓弧撓曲電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3形成蛇形 位移放大結(jié)構(gòu)；激光位移計(jì)6將激光打在四分之一圓弧撓曲電材料3的端面上，半圓弧撓曲 電材料2和四分之一圓弧撓曲電材料3的上下表面涂有驅(qū)動(dòng)電極5,驅(qū)動(dòng)電極5與高壓電源 7連接，高壓電源7與信號(hào)源8連接。
[0043]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述絕緣滑塊4的作用為連接撓曲電材料梁，可替 換為其他連接部件，本發(fā)明采用絕緣滑塊。