通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法，该装置包括平面蚊香状的挠曲电材料，分别位于挠曲电材料内、外弧面的电极、位于挠曲电材料端部的反光膜，位于蚊香式挠曲电材料中心与挠曲电材料固定的固定杆；信号源输出控制信号并送入高压电源，电极与高压电源相电连接，高压电源向电极输出高压电，通电后材料由于挠曲电效应，产生形变，材料的蚊香式结构放大了形变的幅值并在挠曲电材料端部产生位移输出；激光位移计射出测量光源与位于挠曲电材料端部的反光膜相对放置，材料形变时便可测量形变量，结合材料结构、力电参数和形变量，便可计算出挠曲电材料的逆挠曲电系数。
【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
，具体涉及通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法。
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。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，而由于逆挠曲电系数的测量由于其输出位移小，均匀的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：Pi=eijkσjk+μijkl∂ϵjk∂xl---(5)]]>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)]]>而对于逆挠曲电而言，则有Tij=fijkl∂Ejk∂xl---(6)]]>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，本专利技术采用了通过施加电场，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，并通过平面蚊香状结构放大微小位移，继而通过挠曲电材料的总形变测量材料的逆挠曲电系数，提高了实验的可行性和测量精度。
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通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法，即通过对平面蚊香状挠曲电材料在通电情况下发生形变，并通过激光位移计测量挠曲电材料端部的反光膜相对位移变化，结合挠曲电材料的结构参数、力电参数和信号源的输出信号和高压电源的放大倍数，便可计算得到材料的逆挠曲电系数；本专利技术通过结构放大位移，具有更低的设备精度、环境隔振要求和更高的测量精度。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，包括平面蚊香状结构的挠曲电材料1，位于挠曲电材料1外弧面和内弧面的电极2，位于挠曲电材料1端部的反光膜4，固定杆3与挠曲电材料1的中心部位相固定并与外界固定，电极2与高压电源6输出端电连接，高压电源6输入端与信号源5的输出端电连接；还包括激光位移计7，激光位移计7射出的测量光源与反光膜4相对以测量反光膜4的相对位移变化。所述挠曲电材料1的结构为多个部分圆环状形成平面蚊香状结构以保证产生均匀电场梯度，使形变得以积累，便于测量；其宽度为0.1-10mm、厚度为0.1-10mm、直径为1-100mm，其结构参数与材料参数相匹配，以保证挠曲电材料1在加电压作用时，发生足够大的形变。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。所述激光位移计7的测量精度能够满足挠曲电材料1的形变。上述所述的通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置的测量方法：将挠曲电材料1通过与挠曲电材料1中心固结的固定杆3固定，信号源5将电信号送至高压电源6，高压电源6将该电信号功率放大后输出至电极2，并使挠曲电材料1在材料的径向产生电场梯度，由于材料的逆挠曲电效应，挠曲电材料1发生微小的环向形变，挠曲电材料1的平面蚊香状结构能够累加多个环状部分的微小形变，其累加环向形变表现在挠曲电材料1端部的反光膜4上，并通过与反光膜4相对的激光位移计7测量得到；结合信号源5的输出信号、高压电源6的功率放大倍数以及挠曲电材料1的结构参数和力电参数，便能够计算得到材料的逆挠曲电系数。挠曲电材料(1)为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：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；而对于本专利技术所示的逆挠曲电而言，则有T(ij,n)=fijkl∂Ejk∂xl---(2)]]>其中T(ij,n),fijkl和Ejk分别是第n段圆弧上的等效应力、材料的逆挠曲电系数和施加的电场；S(ij,n)=T(ij,n)E---(3)]]>其中S(ij，n)和E分别是等效应变和材料的弹性模量；挠曲电材料(1)产生的位移为：Δd=2Σ1N∫0π/2RnS(ij,n)cosθdθ---(4)]]>其中Rn、N分别为挠曲电材料(1)的中弧线半径和半圆弧圈总数；逆挠曲电系数与挠曲电材料(1)产生的位移存在一定的关系，通过测量挠曲电材料(1)产生的位移，能够计算出逆挠曲电系数。本专利技术和现有技术相比，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，本专利技术通过结构放大位移，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，本专利技术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，本专利技术能够使环状挠曲电材料的微小形变进行累加，降低了测量精度，提高了实验的可操作性。总之，本专利技术能够实现通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的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，本专利技术通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法，包括将挠曲电材料1通过与挠曲电材料1中心固结的固定杆3固定，在挠曲电材料1的弧面施加电极2，并使电极2与高压电源6的输出端电连接，高压电源6的输入端与信号源5的输出端电连接，信号源5输出电信号并通过高压电源6放大后送至电极2，使挠曲电材料1在径向产生电场梯度，由于逆挠曲电本文档来自技高网...
【技术保护点】
通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：包括平面蚊香状结构的挠曲电材料(1)，位于挠曲电材料(1)外弧面和内弧面的电极(2)，位于挠曲电材料(1)端部的反光膜(4)，固定杆(3)与挠曲电材料(1)的中心部位相固定并与外界固定，电极(2)与高压电源(6)输出端电连接，高压电源(6)输入端与信号源(5)的输出端电连接；还包括激光位移计(7)，激光位移计(7)射出的测量光源与反光膜(4)相对以测量反光膜(4)的相对位移变化。
【技术特征摘要】
1.通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：包括平面蚊香状结构的挠曲电材料(1)，位于挠曲电材料(1)外弧面和内弧面的电极(2)，位于挠曲电材料(1)端部的反光膜(4)，固定杆(3)与挠曲电材料(1)的中心部位相固定并与外界固定，电极(2)与高压电源(6)输出端电连接，高压电源(6)输入端与信号源(5)的输出端电连接；还包括激光位移计(7)，激光位移计(7)射出的测量光源与反光膜(4)相对以测量反光膜(4)的相对位移变化。
2.根据权利要求1所述的通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述挠曲电材料(1)的结构为多个部分圆环状形成平面蚊香状结构以保证产生均匀电场梯度，使形变得以积累，便于测量；其宽度为0.1-10mm、厚度为0.1-10mm、直径为1-100mm，其结构参数与材料参数相匹配，以保证挠曲电材料(1)在加电压作用时，发生足够大的形变。
3.根据权利要求1所述的通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，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所述的通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置，其特征在于：所述激光位移计(7)的测量精度能够满足挠曲电材料(1)的形变。
5.权利要求1所述的通过蚊香式位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置的测量方法，其特征在于：将挠曲电材料(1)通过与挠曲电材料(1)中心固结的固定杆(3)固...
【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，冯勃，吴成松，邵妍，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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