通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置及方法，该装置包括变截面结构的挠曲电材料，位于挠曲电材料左右侧面的电极，位于挠曲电材料上端向其输出载荷的作动器，与电极电连接的电荷放大器，与电荷放大器电连接的信号处理模块，与信号处理模块电连接的驱动电源，驱动电源与作动器电连接；通过信号处理模块输出控制信号并送至驱动电源，驱动电源输出驱动电压给作动器，作动器向挠曲电材料施加载荷，挠曲电材料因受到载荷作用发生变形在纵向产生应变梯度，电极测量得到因剪切挠曲电效应导致的极化电荷，极化电荷被送入电荷放大器并转化为电压形式送回信号处理模块；信号处理模块结合控制信号、电荷信号和材料的力电参数，便可计算得到材料的剪切向挠曲电系数。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料科学中的力电耦合
，具体涉及一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置及方法。
技术介绍
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。挠曲电效应的研究目前还部分停留在理论阶段，研究挠曲电效应的主要内容之一就是挠曲电系数的研究，而由于挠曲电系数的测量中电荷数量级小，应变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：Pi=eijkσjk+μijkl∂ϵjk∂xl---(4)]]>其中Pi,eijk,σjk,εjk,μijkl,xl分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电系数和梯度方向，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Pi=μijkl∂ϵjk∂xl---(1)]]>由公式(1)可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，挠曲电致电极化程度与电场梯度成正比。因此，本专利技术采用了通过设计实验及试件以保证其产生均匀的应变梯度及其相应的电极化。
技术实现思路
为了填充相关实验领域的空白，本专利技术的目的在于提供一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置及方法，即通过对变截面块状挠曲电材料施加位移载荷使其发生形变，产生应变梯度，从而测量由应变梯度导致的电极化来测量材料的挠曲电系数。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置，包括变截面结构的挠曲电材料1，位于挠曲电材料1左右侧面的电极2，电极2与电荷放大器4的输入端电连接，电荷放大器4的输出端与信号处理模块5电连接，信号处理模块5与驱动电源6电连接，信号处理模块5输出控制信号并由驱动电源6将该控制信号功率放大，驱动电源6与作动器3电连接，作动器3与挠曲电材料1的上端面接触并对挠曲电材料1施加载荷。所述挠曲电材料1的结构为变截面的块状结构；其结构参数与材料参数和作动器3的载荷输出范围相匹配，以保证挠曲电材料1在受到载荷作用时，发生足够大的弹性形变。所述电极2具有远低于挠曲电材料1的刚度并具备良好的导电性。所述电荷放大器4的测量精度能够满足挠曲电材料1的形变。上述所述的一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置的测量方法，通过信号处理模块5输出控制信号并送至驱动电源6，驱动电源6将该控制信号功率放大并输出驱动电压，驱动电源6将驱动电压送至作动器3，由作动器3向挠曲电材料1施加位移载荷，挠曲电材料1因受到载荷作用发生变形并因其变截面的结构特性在纵向产生剪切应变梯度，因而在挠曲电材料1左右侧面的电极2便能够测量得到因剪切挠曲电效应导致的极化电荷，极化电荷被送入电荷放大器4并转化为电压形式送回信号处理模块5；信号处理模块5结合控制信号和电荷放大器4输入的电压信号，以及材料的力电参数，便能够计算得到材料的剪切向挠曲电系数。中心对称晶体(即挠曲电材料)中不存在压电效应，材料电极化的简单描述为：Pi=μijkl∂ϵjk∂xl---(1)]]>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；而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即QiA=μijkl∂ϵjk∂xl---(2)]]>其中Qi,A分别是电荷量和对应电极的面积；由于挠曲电材料(1)受到载荷作用发生变形并因其变截面的结构特性在纵向产生剪切应变梯度，因而在挠曲电材料(1)左右侧面的电极(2)便能够测量得到因剪切挠曲电效应导致的极化电荷，从而计算出剪切向挠曲电系数。本专利技术和现有技术相比，具有如下优点：1)本专利技术填补了剪切挠曲电系数测量领域的空白。2)相比于已报道其他系数测量模式，本专利技术采用简单的变截面结构，具有更低的加工要求和更小的实验难度。总之，本专利技术能够实现一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量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。附图说明附图为本专利技术结构示意图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例，对本专利技术作进一步的详细描述。如附图所示，本专利技术一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置，包括将挠曲电材料1的下端面固定，对挠曲电材料1左右侧面施加电极2，挠曲电材料1的上端面与作动器3接触，作动器3与驱动电源6的输出端电连接，驱动电源6的输入端与信号处理模块电连接；电极2与电荷放大器4的输入端电连接，电荷放大器4的输出端与信号处理模块5电连接，信号处理模块5输出控制信号并由驱动电源6将该信号功率放大，驱动电源6将驱动电压送至作动器3并由作动器3向挠曲电材料1施加位移载荷，由于挠曲电材料1发生变形，在纵向产生剪切应变梯度，并在挠曲电材料1的左右侧面输出相应剪切挠曲电响应的极化电荷，电荷放大器4将位于电极2上电荷信号转换为电压反馈信号并送至信号处理模块5，通过信号处理模块5的输出控制信号、电荷放大器4的输出信号和材料参数，便可计算挠曲电材料1的剪切挠曲电系数。中心对称晶体(即挠曲电材料)中不存在压电效应，材料电极化的简单描述为：Pi=μijkl∂ϵjk∂xl---(1)]]>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。而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即QiA=μijkl∂ϵjk∂xl---(2)]]>其中Qi,A分别是电荷量和对应电极的面积。由于挠曲电材料(1)受到载荷作用发生变形并因其变截面的结构特性在纵向产生剪切应变梯度，因而在挠曲电材料(1)左右侧面的电极(2)便能够测量得到因剪切挠曲电效应导致的极化电荷，从而计算出剪切向挠曲电系数。作为本专利技术的优选实施方式，所述挠曲电材料1具有较大的弹性变形范围。作为本专利技术的优本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置，其特征在于：包括变截面结构的挠曲电材料(1)，位于挠曲电材料(1)左右侧面的电极(2)，电极(2)与电荷放大器(4)的输入端电连接，电荷放大器(4)的输出端与信号处理模块(5)电连接，信号处理模块(5)与驱动电源(6)电连接，信号处理模块(5)输出控制信号并由驱动电源(6)将该控制信号功率放大，驱动电源(6)与作动器(3)电连接，作动器(3)与挠曲电材料(1)的上端面接触并对挠曲电材料(1)施加载荷。
【技术特征摘要】
1.一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置，其特征在于：
包括变截面结构的挠曲电材料(1)，位于挠曲电材料(1)左右侧面的电极(2)，
电极(2)与电荷放大器(4)的输入端电连接，电荷放大器(4)的输出端与信
号处理模块(5)电连接，信号处理模块(5)与驱动电源(6)电连接，信号处
理模块(5)输出控制信号并由驱动电源(6)将该控制信号功率放大，驱动电
源(6)与作动器(3)电连接，作动器(3)与挠曲电材料(1)的上端面接触
并对挠曲电材料(1)施加载荷。
2.根据权利要求1所述的一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测
量装置，其特征在于：所述挠曲电材料(1)的结构为变截面的块状结构；其结
构参数与材料参数和作动器(3)的载荷输出范围相匹配，以保证挠曲电材料(1)
在受到载荷作用时，发生足够大的弹性形变。
3.根据权利要求1所述的一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测
量装置，其特征在于：所述电极(2)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所述的一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测
量装置，其特征在于：所述电荷放大器(4)的测量精度能够满足挠曲电材料(1)
的形变。
5.权利要求1所述的一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装
置的测量方法，其特征在于：通过信号处理模块(5)输出控制信号并送至驱动
电源(6)，驱动电源(6)将该控...
【专利技术属性】
技术研发人员：张舒文，徐明龙，刘开园，申胜平，王铁军，武彤晖，田征，吴成松，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。