通过螺旋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] 本发明涉及材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及通过螺旋位移放大结构测 量逆挠曲电系数的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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：
[0005]其中？^冰，〇」1^诉#诉141分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电常数 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
[0007]而对于逆挠曲电而言，则有
[0009] 其中Tij，fijkdPEjk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场。
[0010] 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，并通过螺旋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。
【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螺旋位移放大结构测 量逆挠曲电系数的装置及方法，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] 为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0013] -种通过螺旋式位移放大结构获得逆挠曲电系数的测量装置，包括螺旋状结构的 挠曲电材料1，位于挠曲电材料1外弧面的外电极2和内弧面的内电极3，位于挠曲电材料1下 端部的反光膜4,固定杆5与挠曲电材料1的上端部相固定，外电极2和内电极3与高压电源7 输出端电连接，高压电源7输入端与信号源6的输出端电连接;还包括激光位移计8,激光位 移计8射出的测量光源与反光膜4相对以测量反光膜的相对位移变化。
[0014] 所述挠曲电材料1的结构为多个准圆环状形成螺旋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;其宽度为〇.1-1〇_、厚度为〇.1-1〇_、直径为1-1〇〇_，其结 构参数与材料参数相匹配，以保证挠曲电在加电压作用时，发生足够大的形变。
[0015] 所述外电极2与内电极3具有远低于挠曲电材料1的刚度并具备良好的导电性。
[0016] 所述激光位移计8的测量精度能够满足挠曲电材料1的形变。
[0017] 上述所述的通过螺旋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上端部固结的固定杆固定，信号源6将电信号送至高压电源7， 高压电源7将该电信号功率放大后输出至外电极2和内电极3，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的螺旋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 下端部的反光膜4上，并通过与反光膜4相对的激光位移计8测量得到;结合信号源6的输出 信号、高压电源7的功率放大倍数、材料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。
[0018] 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：
[0020]其中？1，￡」1^^1，11分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向 ；
[0021]而对于逆挠曲电而言，则有
[0023]其中T^fijki和Ejk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场。
[0025]其中T^Sijki和E分别是等效应力、等效应变和材料的弹性模量。
[0026]挠曲电材料（1)产生的位移为：
[0028]其中R、N分别为挠曲电材料(1)的中弧线半径、圆弧圈数。
[0029]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。
[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挠曲电测量手段，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。
[0033] 3)相比于单个的环状挠曲电材料位移测量设计，本发明能够使环状挠曲电材料的 微小形变进行累加，降低了测量精度需求，提高了实验的可操作性。
[0034]总之，本发明能够实现通过螺旋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】
[0035]附图为本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0036]以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
[0037] 如附图所示，本发明通过螺旋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