通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向撓曲電系數(shù)的測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及材料科學(xué)中的力電禪合技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得 剪切向曉曲電系數(shù)的測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 曉曲電效應(yīng)是一種廣泛存在于所有介電材料的力電禪合特性，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)，曉曲電效應(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。 曉曲電效應(yīng)的研究目前還部分停留在理論階段，研究曉曲電效應(yīng)的主要內(nèi)容之一就是曉曲 電系數(shù)的研究，而由于曉曲電系數(shù)的測(cè)量中電荷數(shù)量級(jí)小，應(yīng)變梯度難W施加等問題的存 在，一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
[0003] 曉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：
[0004]
(4)
[000引其中口1，61化，0化，6化，41化1心分別為極他程度，壓電常數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變、曉曲電系數(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 方向的曉曲電效應(yīng)，由于在中屯、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
[0006]
(1)
[0007]由公式（1)可W看出，在材料、試件等條件一定的情況下，曉曲電致電極化程度與 電場(chǎng)梯度成正比。因此，本發(fā)明采用了通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及試件W保證其產(chǎn)生均勻的應(yīng)變梯度 及其相應(yīng)的電極化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引為了填充相關(guān)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的空白，本發(fā)明的目的在于提供一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得 剪切向曉曲電系數(shù)的測(cè)量裝置及方法，即通過對(duì)變截面塊狀曉曲電材料施加位移載荷使其 發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)變梯度，從而測(cè)量由應(yīng)變梯度導(dǎo)致的電極化來測(cè)量材料的曉曲電系數(shù)。
[0009] 為達(dá)到W上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0010] -種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向曉曲電系數(shù)的測(cè)量裝置，包括變截面結(jié)構(gòu)的曉曲 電材料1，位于曉曲電材料1左右側(cè)面的電極2，電極2與電荷放大器4的輸入端電連接，電荷 放大器4的輸出端與信號(hào)處理模塊5電連接，信號(hào)處理模塊5與驅(qū)動(dòng)電源6電連接，信號(hào)處理 模塊5輸出控制信號(hào)并由驅(qū)動(dòng)電源則尋該控制信號(hào)功率放大，驅(qū)動(dòng)電源6與作動(dòng)器3電連接， 作動(dòng)器3與曉曲電材料1的上端面接觸并對(duì)曉曲電材料1施加載荷。
[0011] 所述曉曲電材料1的結(jié)構(gòu)為變截面的塊狀結(jié)構(gòu);其結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料參數(shù)和作動(dòng)器3 的載荷輸出范圍相匹配，W保證曉曲電材料1在受到載荷作用時(shí)，發(fā)生足夠大的彈性形變。
[0012] 所述電極2具有遠(yuǎn)低于曉曲電材料1的剛度并具備良好的導(dǎo)電性。
[0013] 所述電荷放大器4的測(cè)量精度能夠滿足曉曲電材料1的形變。
[0014] 上述所述的一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向曉曲電系數(shù)的測(cè)量裝置的測(cè)量方法， 通過信號(hào)處理模塊5輸出控制信號(hào)并送至驅(qū)動(dòng)電源6,驅(qū)動(dòng)電源則尋該控制信號(hào)功率放大并 輸出驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)電源則尋驅(qū)動(dòng)電壓送至作動(dòng)器3,由作動(dòng)器3向曉曲電材料1施加位移載 荷，曉曲電材料1因受到載荷作用發(fā)生變形并因其變截面的結(jié)構(gòu)特性在縱向產(chǎn)生剪切應(yīng)變 梯度，因而在曉曲電材料1左右側(cè)面的電極2便能夠測(cè)量得到因剪切曉曲電效應(yīng)導(dǎo)致的極化 電荷，極化電荷被送入電荷放大器4并轉(zhuǎn)化為電壓形式送回信號(hào)處理模塊5;信號(hào)處理模塊5 結(jié)合控制信號(hào)和電荷放大器4輸入的電壓信號(hào)，W及材料的力電參數(shù)，便能夠計(jì)算得到材料 的剪切向曉曲電系數(shù)。
[0015] 中屯、對(duì)稱晶體(即曉曲電材料）中不存在壓電效應(yīng)，材料電極化的簡(jiǎn)單描述為：
[0016]
(1)
[0017]其中口1，6化典化1沖分別為極他程度、應(yīng)變、曉曲電系數(shù)和梯度方向；
[0018] 而電極化可描述為電荷與電荷分布面積的比，即
[0019]
(2)
[0020] 其中化，A分別是電荷量和對(duì)應(yīng)電極的面積；
[0021] 由于曉曲電材料（1)受到載荷作用發(fā)生變形并因其變截面的結(jié)構(gòu)特性在縱向產(chǎn)生 剪切應(yīng)變梯度，因而在曉曲電材料(1)左右側(cè)面的電極(2)便能夠測(cè)量得到因剪切曉曲電效 應(yīng)導(dǎo)致的極化電荷，從而計(jì)算出剪切向曉曲電系數(shù)。
[0022] 本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0023] 1)本發(fā)明填補(bǔ)了剪切曉曲電系數(shù)測(cè)量領(lǐng)域的空白。
[0024] 2)相比于已報(bào)道其他系數(shù)測(cè)量模式，本發(fā)明采用簡(jiǎn)單的變截面結(jié)構(gòu)，具有更低的 加工要求和更小的實(shí)驗(yàn)難度。
[0025] 總之，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向曉曲電系數(shù)的測(cè)量裝置及 方法獲得材料的逆曉曲電系數(shù)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的空白與不足。
【附圖說明】
[00%]附圖為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] W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。
[0028] 如附圖所示，本發(fā)明一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向曉曲電系數(shù)的測(cè)量裝置，包 括將曉曲電材料1的下端面固定，對(duì)曉曲電材料1左右側(cè)面施加電極2，曉曲電材料1的上端 面與作動(dòng)器3接觸，作動(dòng)器3與驅(qū)動(dòng)電源6的輸出端電連接，驅(qū)動(dòng)電源6的輸入端與信號(hào)處理 模塊電連接;電極2與電荷放大器4的輸入端電連接，電荷放大器4的輸出端與信號(hào)處理模塊 5電連接，信號(hào)處理模塊5輸出控制信號(hào)并由驅(qū)動(dòng)電源則尋該信號(hào)功率放大，驅(qū)動(dòng)電源則尋驅(qū) 動(dòng)電壓送至作動(dòng)器3并由作動(dòng)器3向曉曲電材料1施加位移載荷，由于曉曲電材料1發(fā)生變 形，在縱向產(chǎn)生剪切應(yīng)變梯度，并在曉曲電材料1的左右側(cè)面輸出相應(yīng)剪切曉曲電響應(yīng)的極 化電荷，電荷放大器4將位于電極2上電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓反饋信號(hào)并送至信號(hào)處理模塊5， 通過信號(hào)處理模塊5的輸出控制信號(hào)、電荷放大器4的輸出信號(hào)和材料參數(shù)，便可計(jì)算曉曲 電材料1的剪切曉曲電系數(shù)。
[0029] 中屯、對(duì)稱晶體(即曉曲電材料）中不存在壓電效應(yīng)，材料電極化的簡(jiǎn)單描述為：
[0030]
(1)
[0031] 其中口1，6化山1化1沖分別為極他程度、應(yīng)變、曉曲電系數(shù)和梯度方向。
[0032] 而電極化可描述為電荷與電荷分布面積的比，即
[00 削
C2)
[0034] 其中化，A分別是電荷量和對(duì)應(yīng)電極的面積。
[0035] 由于曉曲電材料（1)受到載荷作用發(fā)生變形并因其變截面的結(jié)構(gòu)特性在縱向產(chǎn)生 剪切應(yīng)變梯度，因而在曉曲電材料(1)左右側(cè)面的電極(2)便能夠測(cè)量得到因剪切曉曲電效 應(yīng)導(dǎo)致的極化電荷，從而計(jì)算出剪切向曉曲電系數(shù)。
[0036] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述曉曲電材料1具有較大的彈性變形范圍。
[0037] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述電極2具有良好的導(dǎo)電性能和較低的附著剛度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向撓曲電系數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于:包括變截面 結(jié)構(gòu)的撓曲電材料（1)，位于撓曲電材料（1)左右側(cè)面的電極(2)，電極(2)與電荷放大器(4) 的輸入端電連接，電荷放大器(4)的輸出端與信號(hào)處理模塊(5)電連接，信號(hào)處理模塊(5)與 驅(qū)動(dòng)電源(6)電連接，信號(hào)處理模塊(5)輸出控制信號(hào)并由驅(qū)動(dòng)電源(6)將該控制信號(hào)功率 放大，驅(qū)動(dòng)電源(6)與作動(dòng)器(3)電連接，作動(dòng)器(3)與撓曲電材料（1)的上端面接觸并對(duì)撓 曲電材料(1)施加載荷。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向撓曲電系數(shù)的測(cè)量裝置，其 特征在于:所述撓曲電材料(1)的結(jié)構(gòu)為變截面的塊狀結(jié)構(gòu);其結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料參數(shù)和作動(dòng) 器(3)的載荷輸出范圍相匹配，以保證撓曲電材料（1)在受到載荷作用時(shí)，發(fā)生足夠大的彈 性形變。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向撓曲電系數(shù)的測(cè)量裝置，其 特征在于:所述電極(2)具有遠(yuǎn)低于撓曲電材料(1)的剛度并具備良好的導(dǎo)電性。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向撓曲電系數(shù)的測(cè)量裝置，其 特征在于:所述電荷放大器(4)的測(cè)量精度能夠滿足撓曲電材料(1)的形變。5. 權(quán)利要求1所述的一種通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向撓曲電系數(shù)的測(cè)量裝置的測(cè)量方 法，其特征在于:通過信號(hào)處理模塊(5)輸出控制信號(hào)并送至驅(qū)動(dòng)電源(6)，驅(qū)動(dòng)電源(6)將 該控制信號(hào)功率放大并輸出驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)電源(6)將驅(qū)動(dòng)電壓送至作動(dòng)器(3)，由作動(dòng)器 (3)向撓曲電材料（1)施加位移載荷，撓曲電材料（1)因受到載荷作用發(fā)生變形并因其變截 面的結(jié)構(gòu)特性在縱向產(chǎn)生剪切應(yīng)變梯度，因而在撓曲電材料(1)左右側(cè)面的電極(2)便能夠 測(cè)量得到因剪切撓曲電效應(yīng)導(dǎo)致的極化電荷，極化電荷被送入電荷放大器(4)并轉(zhuǎn)化為電 壓形式送回信號(hào)處理模塊(5);信號(hào)處理模塊(5)結(jié)合控制信號(hào)和電荷放大器(4)輸入的電 壓信號(hào)，以及材料的力電參數(shù)，便能夠計(jì)算得到材料的剪切向撓曲電系數(shù)。6. 權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于:撓曲電材料（1)產(chǎn)生的電荷與材料的剪切 應(yīng)變梯度存在關(guān)系； 中心對(duì)稱晶體即撓曲電材料中不存在壓電效應(yīng)，材料電極化簡(jiǎn)單描述為：其中Pi，ε jk，Pijki，?分別為極化程度、應(yīng)變、撓曲電系數(shù)和梯度方向； 而電極化描述為電荷與電荷分布面積的比，即其中Qi，A分別是電荷量和對(duì)應(yīng)電極的面積； 由于撓曲電材料（1)受到載荷作用發(fā)生變形并因其變截面的結(jié)構(gòu)特性在縱向產(chǎn)生剪切 應(yīng)變梯度，因而在撓曲電材料(1)左右側(cè)面的電極(2)便能夠測(cè)量得到因剪切撓曲電效應(yīng)導(dǎo) 致的極化電荷，從而計(jì)算出剪切向撓曲電系數(shù)。
【專利摘要】通過變截面結(jié)構(gòu)獲得剪切向撓曲電系數(shù)的測(cè)量裝置及方法，該裝置包括變截面結(jié)構(gòu)的撓曲電材料，位于撓曲電材料左右側(cè)面的電極，位于撓曲電材料上端向其輸出載荷的作動(dòng)器，與電極電連接的電荷放大器，與電荷放大器電連接的信號(hào)處理模塊，與信號(hào)處理模塊電連接的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源與作動(dòng)器電連接；通過信號(hào)處理模塊輸出控制信號(hào)并送至驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源輸出驅(qū)動(dòng)電壓給作動(dòng)器，作動(dòng)器向撓曲電材料施加載荷，撓曲電材料因受到載荷作用發(fā)生變形在縱向產(chǎn)生應(yīng)變梯度，電極測(cè)量得到因剪切撓曲電效應(yīng)導(dǎo)致的極化電荷，極化電荷被送入電荷放大器并轉(zhuǎn)化為電壓形式送回信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊結(jié)合控制信號(hào)、電荷信號(hào)和材料的力電參數(shù)，便可計(jì)算得到材料的剪切向撓曲電系數(shù)。
【IPC分類】G01N27/60
【公開號(hào)】CN105486742
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511016365
【發(fā)明人】張舒文, 徐明龍, 劉開園, 申勝平, 王鐵軍, 武彤暉, 田征, 吳成松
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2015年12月29日