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
【技术领域】
[0001] 本发明设及材料科学中的力电禪合技术领域，具体设及一种通过变截面结构获得 剪切向晓曲电系数的测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 晓曲电效应是一种广泛存在于所有介电材料的力电禪合特性，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，晓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。 晓曲电效应的研究目前还部分停留在理论阶段，研究晓曲电效应的主要内容之一就是晓曲 电系数的研究，而由于晓曲电系数的测量中电荷数量级小，应变梯度难W施加等问题的存 在，一直是研究的重点和难点。
[0003] 晓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：
[0004]
(4)
[000引其中口1，61化，0化，6化，41化1心分别为极他程度，压电常数、应力、应变、晓曲电系数 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 方向的晓曲电效应，由于在中屯、对称晶体中不存在压电效应，因此只有第二项存在，即
[0006]
(1)
[0007]由公式（1)可W看出，在材料、试件等条件一定的情况下，晓曲电致电极化程度与 电场梯度成正比。因此，本发明采用了通过设计实验及试件W保证其产生均匀的应变梯度 及其相应的电极化。
【发明内容】
[000引为了填充相关实验领域的空白，本发明的目的在于提供一种通过变截面结构获得 剪切向晓曲电系数的测量装置及方法，即通过对变截面块状晓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晓曲电系数。
[0009] 为达到W上目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] -种通过变截面结构获得剪切向晓曲电系数的测量装置，包括变截面结构的晓曲 电材料1，位于晓曲电材料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則尋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与晓曲电材料1的上端面接触并对晓曲电材料1施加载荷。
[0011] 所述晓曲电材料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，W保证晓曲电材料1在受到载荷作用时，发生足够大的弹性形变。
[0012] 所述电极2具有远低于晓曲电材料1的刚度并具备良好的导电性。
[0013] 所述电荷放大器4的测量精度能够满足晓曲电材料1的形变。
[0014] 上述所述的一种通过变截面结构获得剪切向晓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,驱动电源則尋该控制信号功率放大并 输出驱动电压，驱动电源則尋驱动电压送至作动器3,由作动器3向晓曲电材料1施加位移载 荷，晓曲电材料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，因而在晓曲电材料1左右侧面的电极2便能够测量得到因剪切晓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，W及材料的力电参数，便能够计算得到材料 的剪切向晓曲电系数。
[0015] 中屯、对称晶体(即晓曲电材料）中不存在压电效应，材料电极化的简单描述为：
[0016]
(1)
[0017]其中口1，6化典化1冲分别为极他程度、应变、晓曲电系数和梯度方向；
[0018] 而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即
[0019]
(2)
[0020] 其中化，A分别是电荷量和对应电极的面积；
[0021] 由于晓曲电材料（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，因而在晓曲电材料(1)左右侧面的电极(2)便能够测量得到因剪切晓曲电效 应导致的极化电荷，从而计算出剪切向晓曲电系数。
[0022] 本发明和现有技术相比，具有如下优点：
[0023] 1)本发明填补了剪切晓曲电系数测量领域的空白。
[0024] 2)相比于已报道其他系数测量模式，本发明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。
[0025] 总之，本发明能够实现一种通过变截面结构获得剪切向晓曲电系数的测量装置及 方法获得材料的逆晓曲电系数，弥补了现有技术的空白与不足。
【附图说明】
[00%]附图为本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0027] W下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
[0028] 如附图所示，本发明一种通过变截面结构获得剪切向晓曲电系数的测量装置，包 括将晓曲电材料1的下端面固定，对晓曲电材料1左右侧面施加电极2，晓曲电材料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則尋该信号功率放大，驱动电源則尋驱 动电压送至作动器3并由作动器3向晓曲电材料1施加位移载荷，由于晓曲电材料1发生变 形，在纵向产生剪切应变梯度，并在晓曲电材料1的左右侧面输出相应剪切晓曲电响应的极 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，便可计算晓曲 电材料1的剪切晓曲电系数。
[0029] 中屯、对称晶体(即晓曲电材料）中不存在压电效应，材料电极化的简单描述为：
[0030]
(1)
[0031] 其中口1，6化山1化1冲分别为极他程度、应变、晓曲电系数和梯度方向。
[0032] 而电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即
[00 削
C2)
[0034] 其中化，A分别是电荷量和对应电极的面积。
[0035] 由于晓曲电材料（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，因而在晓曲电材料(1)左右侧面的电极(2)便能够测量得到因剪切晓曲电效 应导致的极化电荷，从而计算出剪切向晓曲电系数。
[0036] 作为本发明的优选实施方式，所述晓曲电材料1具有较大的弹性变形范围。
[0037] 作为本发明的优选实施方式，所述电极2具有良好的导电性能和较低的附着刚度。
【主权项】
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。6. 权利要求5所述的测量方法，其特征在于:挠曲电材料（1)产生的电荷与材料的剪切 应变梯度存在关系； 中心对称晶体即挠曲电材料中不存在压电效应，材料电极化简单描述为：其中Pi，ε jk，Pijki，?分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向； 而电极化描述为电荷与电荷分布面积的比，即其中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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01N27/60
【公开号】CN105486742
【申请号】CN201511016365
【发明人】张舒文, 徐明龙, 刘开园, 申胜平, 王铁军, 武彤晖, 田征, 吴成松
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月29日