[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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。挠曲电效应的研究目前还部分停留在理论阶段，研究挠曲电效应的主要内容之一就是挠曲电系数的研究，而由于挠曲电系数的测量中电荷数量级小，应变梯度难以施加等问题的存在，一直是研究的重点和难点。

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：

其中P_i,e_ijk,σ_jk,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠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

由公式(1)可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，挠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以保证其产生均匀的应变梯度及其相应的电极化。

发明内容

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挠曲电系数的测量装置及方法，即通过对变截面块状挠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挠曲电系数。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种通过变截面结构获得剪切向挠曲电系数的测量装置，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。

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。

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。

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。