一种基于挠曲电动态效应产生脉冲电压的测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及脉冲电压测量技术领域，具体设及一种基于晓曲电动态效应所产生脉 冲电压的测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 力电禪合现象广泛存在于各种人工和天然材料中。压电材料是一种重要的智能材 料，运种材料受到机械应力作用的时候会产生电极化，反之在电场中会产生机械变形。压电 效应是指在电介质的一定方向上施加外力（压力或拉力）作用而变形时，在其表面上产生 电荷，而且只有非对称晶体才能产生压电效应。晓曲电效应是指由非均匀应变场或应变梯 度产生电极化现象，与压电效应不同的是，即使对于中屯、对称晶体，晓曲电效应同样可W使 材料产生电极化。在固体原子晶体中，应变梯度使得原子具有非均匀的相对位移，从而破坏 晶体的反演对称，在晶体中产生极化。由于压电效应是由均匀应变产生的，晓曲电效应是由 非均匀的应变产生的，运种机理上的差别导致了在宏观尺度下晓曲电效应往往可W忽略， 而在微观尺度下，尺寸相关的应变梯度很大，晓曲电效应不能被忽略。由于对晶体结构对称 性相对宽松的要求，晓曲电效应普遍存在于各种材料中，包括非压电材料和各向同性材料。
[0003] 当高速冲击波通过试件时，发生高应变率变形，产生依赖于时间的应变梯度，而应 变梯度会产生离子的极化位移；对于冲击压缩波来说，原子的加速度正比于应变梯度，不同 质量的离子的加速度产生额外的极化位移，从而产生晓曲电动态效应，产生极化电荷，晓曲 电动态效应通常定义为：
[0004]
[000引其中yd=-XcM/p是动态晓曲电系数。Μ是由晶格动力学计算出的系数。ε是 材料的弹性应变，X是梯度的方向，Ρ是由晓曲电效应导致的应变梯度产生的极化，Ρ是密 度，C是弹性常数。在国际单位制下，晓曲电系数的单位是C/m。
[0006] 晓曲电式材料选择范围更广，环境和人类友好型材料可用来制备晓曲电式传感 器、驱动器等功能器件。运样研究晓曲电动态效应的相关理论和产生电压信号的测量方法 就具有非常重要的科研工程意义。迄今为止，在冲击波作用下，由于晓曲电动态效应而产生 脉冲电压的测量装置及方法仍为空白，现在设计一种基于晓曲电动态效应产生脉冲电压的 测量装置及方法，通过高速示波器直接测量输出电荷，实验方法简单可行。
【发明内容】
[0007] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于晓曲电动态 效应产生脉冲电压的测量装置及方法，通过高速冲击波压缩作用试件，在试件中产生应变 梯度，从而测量发生晓曲电效应所产生的电压，也可用来检测所测材料的晓曲电动态效应。
[0008] 为了达到W上目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] -种基于晓曲电动态效应产生脉冲电压的测量装置，包括分别设置在试件2左表 面和右表面的左金属电极1和右金属电极3 ;所述试件2和左金属电极1及右金属电极3封装在环氧树脂4内；所述左金属电极1与右金属电极3分别通过引线5与电阻8串联连接； 所述电阻8通过地线6与测量脉冲电压信号的显示存储装置7并联连接。
[0010] 所述左金属电极1和右金属电极3是通过蒸锻的方法在试件左右表面锻金形成电 极。
[0011] 所述地线6与引线5和电阻8通过引线键合的方式连接。
[0012] 所述测量脉冲电压信号的显示存储装置7为高速示波器。
[0013] 上面所述的测量装置及方法，一级轻气炮9的飞片高速碰撞试件2产生冲击波，试 件2发生高应变率变形，产生应变梯度，再由晓曲电效应在试件2左右表面产生极化电荷， 试件2左右表面电荷通过左金属电极1和右金属电极3经由引线5与电阻8串联形成闭合 电路，与电阻8并联的高速示波器7采集显示脉冲电压信号；
[0014] 当高速冲击波通过试件2时，发生高应变率变形，产生依赖于时间的应变梯度，而 应变梯度会产生离子的极化位移；对于冲击压缩波来说，原子的加速度正比于应变梯度，不 同质量的离子的加速度产生额外的极化位移，从而产生晓曲电动态效应，产生极化电荷，其 表达式为：
[0015]
[001 引U=kQ
[0017]其中yd=-xcM/p是动态晓曲电系数，Μ是由晶格动力学计算出的系数，P是 密度，C是弹性常数；μ是静态晓曲电系数，ε是材料的弹性应变，X是梯度的方向，Ρ是由 晓曲电效应导致的应变梯度产生的极化，Q是左右两面金属电极的输出电荷，k为电荷放大 系数，U为电压值的输出量，Η为材料试件左右表面边长；通过公式能够直接得到产生的脉 冲电压。
[001引本发明具有W下优点：
[0019] 1)迄今为止，在冲击波作用下基于晓曲电动态效应所产生脉冲电压的测量装置及 方法仍为空白。本发明填补了运方面的空白，为更深入的研究提供实验方法及思路。
[0020] 。本发明电路串联外接50Ω电阻，延迟了脉冲时间，W便更精确的测量。
[0021] 3)采用直接测量电压，高速示波器可W直接测量到微小时间内电压的变化，实验 简单可靠。
[0022] 4)所需激励仪器为一级气炮，与化爆装置相比，气炮的优点在于弹丸速度易于调 整，飞片运动平稳，实验数据重复性好、信号测试干扰小、产生的冲击波有较大的平面范围 等。
【附图说明】
[0023] 附图为本发明测量装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明做进一步详细说明。
[00巧]如附图所示，本发明一种基于晓曲电动态效应所产生脉冲电压的测量装置，包括 分别设置在试件2左表面和右表面的左金属电极1和右金属电极3,所述左金属电极1与 试件2的左表面相接触；所述右金属电极3与试件2的右表面相接触；环氧树脂4把试件2 和左金属电极1及右金属电极3封装在内；所左金属电极1与右金属电极3分别通过引线 5与电阻8串联连接；测量电压信号的显示存储装置7通过地线6与电阻8并联连接。
[0026] 作为本发明的优选实施方式，所述左金属电极1和右金属电极3是通过蒸锻的方 法在试件左右表面锻金形成电极。
[0027] 作为本发明的优选实施方式，所述地线6与引线5和电阻8通过引线键合的方式 连接。
[0028] 作为本发明的优选实施方式，所述显示存储装置7为高速示波器。
[002引如附图所示，本发明测量装置的测量方法，一级轻气炮9的飞片高速碰撞试件2产 生冲击压缩波，试件2发生高应变率变形，产生应变梯度，再由晓曲电效应在试件2左右表 面产生极化电荷，试件2左右表面电荷通过左金属电极1和右金属电极3经由引线5与电 阻8串联形成闭合电路，与电阻8并联的高速示波器7采集显示脉冲电压信号；
[0030] 当高速冲击波通过试件2时，发生高应变率变形，产生依赖于时间的应变梯度，而 应变梯度会产生离子的极化位移；对于冲击压缩波来说，原子的加速度正比于应变梯度，不 同质量的离子的加速度产生额外的极化位移，从而产生晓曲电动态效应，产生极化电荷，其 表达式为：
[0031]
[0032] U=kQ
[〇〇3引其中yd=-xcM/p是动态晓曲电系数，Μ是由晶格动力学计算出的系数，P是 密度，C是弹性常数；μ是静态晓曲电系数，ε是材料的弹性应变，X是梯度的方向，Ρ是由 晓曲电效应导致的应变梯度产生的极化，Q是左右两面金属电极的输出电荷，k为电荷放大 系数，U为电压值的输出量，Η为材料试件左右表面边长。通过公式能够看出，可W直接测量 产生的脉冲电压。
【主权项】
1. 一种基于晓曲电动态效应产生脉冲电压的测量装置，其特征在于：包括分别设置在 试件（2)左表面和右表面的左金属电极（1)和右金属电极（3);所述试件（2)和左金属电 极（1)及右金属电极（3)封装在环氧树脂（4)内；所述左金属电极（1)与右金属电极（3) 分别通过引线（5)与电阻（8)串联连接；所述电阻（8)通过地线（6)与测量脉冲电压信号 的显示存储装置（7)并联连接。2. 根据权利要求1所述的一种基于晓曲电动态效应产生脉冲电压的测量装置，其特征 在于：所述左金属电极（1)和右金属电极（3)是通过蒸锻的方法在试件左右表面锻金形成 电极。3. 根据权利要求1所述的一种基于晓曲电动态效应产生脉冲电压的测量装置，其特征 在于：所述地线（6)与引线（5)和电阻（8)通过引线键合的方式连接。4. 根据权利要求1所述的一种基于晓曲电动态效应产生脉冲电压的测量装置，其特征 在于：测量脉冲电压信号的显示存储装置（7)为高速示波器。5. 权利要求1至4任一项所述的测量装置的测量方法，其特征在于：一级轻气炮（9)的 飞片高速碰撞试件（2)产生冲击压缩波，试件（2)发生高应变率变形，产生应变梯度，再由 晓曲电效应在试件（2)左右表面产生极化电荷，试件（2)左右表面电荷通过左金属电极（1) 和右金属电极（3)经由引线（5)与电阻做串联形成闭合电路，与电阻做并联的高速示 波器（7)采集显示脉冲电压信号； 当高速冲击波通过试件（2)时，发生高应变率变形，产生依赖于时间的应变梯度，而应 变梯度会产生离子的极化位移；对于冲击压缩波来说，原子的加速度正比于应变梯度，不同 质量的离子的加速度产生额外的极化位移，从而产生晓曲电动态效应，产生极化电荷，其表 达式为：U=kQ 其中Wd=-xcM/p是动态晓曲电系数，Μ是由晶格动力学计算出的系数，P是密度， C是弹性常数；μ是静态晓曲电系数，ε是材料的弹性应变，X是梯度的方向，Ρ是由晓曲电 效应导致的应变梯度产生的极化，Q是左右两面金属电极的输出电荷，k为电荷放大系数，U 为电压值的输出量，Η为材料试件左右表面边长；通过公式能够直接得到产生的脉冲电压。
【专利摘要】一种基于挠曲电动态效应产生脉冲电压的测量装置及方法，该装置包括分别设置在试件左右表面的左金属电极和右金属电极；左金属电极与右金属电极连接外接电阻的引线，电阻通过地线与测量脉冲电压信号的显示存储装置并联连接；本发明还提供了测量方法，通过高速示波器测量试件的输出电压，能够方便、简单的实现挠曲电动态效应所产生脉冲电压的直接测量。
【IPC分类】G01R13/02, G01N3/313, G01R31/00
【公开号】CN105403748
【申请号】CN201510926746
【发明人】胡涛涛, 申胜平, 梁旭, 杨文君, 郁汶山, 刘群峰
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月12日