[发明专利]一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及挠曲电系数测量技术领域，具体涉及一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法。

背景技术

传统的压电式材料无论在驱动还是传感方面应用广泛，要实现这些功能离不开压电效应和材料压电系数。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。

然而在晶体学中，压电效应被严格限制在具有非中心对称结构的晶体中才存在，这大大限制了材料的选取和利用。另一方面天然的压电材料压电效应非常微弱，很难用于实际检测。目前广泛使用的压电材料主要由石英晶体和压电陶瓷，钛酸钡，镐钛酸铅(PZT)等材料。在工业上，镐钛酸铅这类压电陶瓷被大量的使用，由于镐钛酸铅含有重金属铅，对环境和人类健康都是有害的。并且压电传感器的一个明显缺点是对温度敏感，在居里温度以上压电效应失效。

与压电效应不同，挠曲电效应是指由应变梯度引起的极化现象，挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材料。挠曲电效应通常定义为：

P1=μijkl∂ϵij∂xk---(1)]]>

这里μ_ijkl是四阶挠曲电系数张量。

ε_ij是材料的弹性应变，

x_k是梯度的方向，

P_l是引起的电极化，

在国际单位制下，挠曲电系数的单位是C/m。

这里的挠曲电效应严格意义上讲指的是正挠曲电效应，逆挠曲电效应指电场梯度引起的应力现象。

挠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挠曲电式传感器、驱动器等功能器件。另外一个显著的特点是与应变不同，有研究表明应变梯度是随着结构尺寸的减小而增大的，小尺寸高灵敏度的挠曲电式微型器件是可行的。

这样研究挠曲电理论和测量挠曲电系数就具有非常重要的科研工程意义，前人常规的方法是测量电流，再计算转化为电荷值，一般挠曲电产生的电流非常微弱，很难测量，需要极其精密价格高昂的仪器，本发明采用直接测量输出电荷，实验方法简单可行，测量结果精度可满足一般工程的应用。

发明内容

为了解决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测量电荷的挠曲电系数直接测量装置及方法，通过施加压力在不规则试件中导致的应变梯度与测量电荷之间的线性关系测量所测材料的挠曲电系数，能够准确、简单的测量挠曲电系数。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于测量电荷的挠曲电系数直接测量装置，包括上双面金属电极片1和下双面金属电极片2，所述上双面金属电极片1的上下表面分别设置有第一上金属电极和第一下金属电极，第一上金属电极与上压头5相接触，第一下金属电极与试件7的上表面相接触；所述下双面金属电极片2的上下表面分别设置有第二上金属电极和第二下金属电极，第二上金属电极与试件7的下表面相接触，第二下金属电极与下压头6相接触，所述上双面金属电极片1的下表面电极连接地线3，所述下双面金属电极片2的上表面电极连接测量电荷信号的引线4，所述测量电荷信号的引线4依次连接电荷放大器8和显示存储装置9。

所述上双面金属电极片1和下双面金属电极片2为PCB板。

所述上压头5、下压头6和PCB板的刚度远大于试件的刚度。

所述地线3和测量电荷信号的引线4分别与上双面金属电极片1的下表面电极和下双面金属电极片2的上表面电极通过引线键合的方式连接。

所述试件7通过周围一圈弹性胶固定在上双面金属电极片1和下双面金属电极片2上。

所述显示存储装置9为示波器。