一种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及一种基于电容变化获得逆 挠曲电系数的测量装置及方法。
【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，而逆挠曲电系数的测量由于其输出位移量级小，均匀电场梯度难以 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？^6冰，〇」1^诉#诉1^1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压，使材料上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，并对微小变形的测量采用差分式的电容变化测量 方法，继而测量材料的逆挠曲电系数，放大了位移量，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一种基于电容变化获得逆 挠曲电系数的测量装置及方法，本发明能够实现基于电容变化获得材料的逆挠曲电系数， 弥补了现有技术的空白与不足。
[0012] 为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
[0013] -种基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置，包括基板1，位于基板上的左固 定台2和右固定台3,分别与左固定台2和右固定台3刚性连接的材料与结构完全相同、相对 放置的左挠曲电材料4和右挠曲电材料5，附着在左挠曲电材料4和右挠曲电材料5上下弧面 上的驱动电极6，附着在左挠曲电材料4和右挠曲电材料5端面的电容电极7，控制电压驱动 量的信号源8与高压电源9相电连接，高压电源9与驱动电极6相电连接；电容测量电路10与 电容电极7相电连接。
[0014]所述带有导轨槽的基板1的刚度远大于左挠曲电材料4和右挠曲电材料5。
[0015] 所述驱动电极6具有远低于左挠曲电材料4和右挠曲电材料5的刚度并具备良好的 导电性。
[0016] 所述左挠曲电材料4和右挠曲电材料5的结构为部分圆环状以保证施加电压时沿 径向产生均匀电场梯度。
[0017] 所述电容测量电路10测量精度能够满足电容变化要求;左挠曲电材料4和右挠曲 电材料5的形变量通过电容变化信号表现。
[0018] 上述所述的基于电容变化获得逆挠曲电系数的测量装置的测量方法，通过电容测 量电路10测量左挠曲电材料4和右挠曲电材料5端面间的电容值变化;再通过信号源8向高 压电源9输送信号使左挠曲电材料4和右挠曲电材料5受到均匀电场梯度而产生形变，致使 端面间距发生变化，导致等效电容发生变化，电容测量电路10获得新的电容值，同时记录信 号源8的输出情况;通过电容变化量和信号源8的输出情况，结合材料的力电参数，便能够计 算得到该挠曲电材料的逆挠曲电系数。
[0019]由于左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)位移的变化导致电容发生变化，具体变 化情况如下：
[0020]左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极 化简单描述为：
[0022] 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 ；
[0023] 而对于逆挠曲电而言，则有
[0025]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；
[0027] 其中Sijki和E分别是等效应变和材料的弹性模量；
[0028] 左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)产生的位移为：
[0030]其中R为左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)的中弧线半径；
[0031]电容变化量为：
[0033] 其中d、S、e、k分别是左挠曲电材料(4)和右挠曲电材料(5)施加电压前的端面间 距、极板面积、介电常数、静电力系数。
[0034] 本发明和现有技术相比，具有如下优点：
[0035] 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，本发明倍增了位 移量，且具有更低的设备精度、环境隔振要求和更高的测量精度。
[0036] 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。
[0037] 3)相比于单个的环状挠曲电材料位移测量设计，本发明能够避免因其他向系数导 致的等效应力对材料形变测量的影响，即只需关心电容电极7相对距离的大小而非整个形 状的变化。
[0038]总之，本发明能够实现基于电容变化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】
[0039]附图为本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0040] 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。
[0041] 如附图所示，一种基于电容变化获得逆挠