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，具体设及通过蚊香式位移放大结构 测量逆晓曲电系数的装置及方法。
【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。 逆晓曲电效应的研究目前还基本停留在理论阶段，研究逆晓曲电效应的主要内容之一就是 逆晓曲电系数的研究，而由于逆晓曲电系数的测量由于其输出位移小，均匀的电场梯度难 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]
倒
[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]而对于逆晓曲电而言，则有
[000引
C色）
[0009] 其中Τυ，。北1和E化分别是等效应力、逆晓曲电系数和施加的电场。
[0010] 由上述公式可W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，本发明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，继而通过晓曲电材 料的总形变测量材料的逆晓曲电系数，提高了实验的可行性和测量精度。
【发明内容】
[0011] 为了填充相关实验领域的空白，本发明的目的在于提供通过蚊香式位移放大结构 测量逆晓曲电系数的装置及方法，即通过对平面蚊香状晓曲电材料在通电情况下发生形 变，并通过激光位移计测量晓曲电材料端部的反光膜相对位移变化，结合晓曲电材料的结 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晓 曲电系数;本发明通过结构放大位移，具有更低的设备精度、环境隔振要求和更高的测量精 度。
[0012] 为达到W上目的，本发明采用如下技术方案：
[0013] 通过蚊香式位移放大结构测量逆晓曲电系数的装置，包括平面蚊香状结构的晓曲 电材料1，位于晓曲电材料1外弧面和内弧面的电极2，位于晓曲电材料1端部的反光膜4，固 定杆3与晓曲电材料1的中屯、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W测量反光膜4的相对位移变化。
[0014] 所述晓曲电材料1的结构为多个部分圆环状形成平面蚊香状结构W保证产生均匀 电场梯度，使形变得W积累，便于测量；其宽度为O.l-lOmm、厚度为O.l-lOmm、直径为1-100mm，其结构参数与材料参数相匹配，W保证晓曲电材料1在加电压作用时，发生足够大的 形变。
[0015] 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。
[0016] 所述激光位移计7的测量精度能够满足晓曲电材料1的形变。
[0017] 上述所述的通过蚊香式位移放大结构测量逆晓曲电系数的装置的测量方法:将晓 曲电材料1通过与晓曲电材料1中屯、固结的固定杆3固定，信号源引尋电信号送至高压电源6， 高压电源則尋该电信号功率放大后输出至电极2,并使晓曲电材料1在材料的径向产生电场 梯度，由于材料的逆晓曲电效应，晓曲电材料1发生微小的环向形变，晓曲电材料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晓曲电材料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W及晓曲电材料1的结构参数和力电参数，便能够计算得到材料的逆 晓曲电系数。
[0018] 晓曲电材料(1)为中屯、对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：
[0019]
(1)
[0020] 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；
[0021] 而对于本发明所示的逆晓曲电而言，则有
[0022]
(2)
[0023] 其中T山,η),。化1和E化分别是第η段圆弧上的等效应力、材料的逆晓曲电系数和施 加的电场；
[0024]
(3)
[0025] 其中S<ij,η巧日Ε分别是等效应变和材料的弹性模量；
[00%]晓曲电材料(1)产生的位移为：
[0027]
(4.)
[002引其中Rn、N分别为晓曲电材料(1)的中弧线半径和半圆弧圈总数；
[0029] 逆晓曲电系数与晓曲电材料（1)产生的位移存在一定的关系，通过测量晓曲电材 料(1)产生的位移，能够计算出逆晓曲电系数。
[0030] 本发明和现有技术相比，具有如下优点：
[0031] 1)相比于已报道的通过激光测量相对位移的逆晓曲电测量手段，本发明通过结构 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。
[0032] 2)相比于已报道的激光式测量试件，本发明所设及的材料形状能够产生更加均匀 的电场梯度，W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。
[0033] 3)相比于单个的环状晓曲电材料位移测量设计，本发明能够使环状晓曲电材料的 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。
[0034] 总之，本发明能够实现通过蚊香式位移放大结构测量逆晓曲电系数的装置及方法 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】
[0035] 附图为本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] W下结