[发明专利]基于数字全息干涉的材料电致应变及其分布的测量方法

说明书

本发明公开了一种基于数字全息干涉的材料电致应变及其分布的测量方法，包括步骤：对被测材料施加电场，记录不同电场下的数字全息图，数字再现得到其相位分布；利用数字全息干涉技术，得到不同状态下的相位差分布，由应变关系，计算即可得到材料的应变及其分布；将不同电场下对应的应变值描点绘图，得到材料的电致应变曲线，进而得到材料的逆压电系数。与现有技术相比，本发明采用的是非接触式的测量方法，具有原理简单、测量方便、成本低、精度高、实用性强等特点，并且可实时动态测量整个材料面的应变分布。

技术领域

本发明属于材料压电性能测量技术领域，特别涉及一种材料电致应变及其分布的测量方法。

背景技术

电致伸缩材料和压电材料在传感器、微位移驱动器领域被广泛应用，而微形变的测量是研究电致伸缩材料和压电材料应变特性的基础。此类材料的形变量很小，通常只有几十微米，甚至更小，精确测量该微形变量是研究材料应变特性的重要基础。目前测量微形变的方法主要有光学杠杆法、传感器法、激光干涉法、云纹干涉法等：

光学杠杆法是通过微位移传感臂将检测到的材料的微位移传递给杠杆短臂，放大杠杆长臂上的激光器将其放大后形成光斑投影到远处CCD接收靶面上，通过检测光斑在投影面上的位移，即可得到微位移量。该方法可实现非接触的放大测量，但所需设备较多、调节难度高、精度较低。

传感器法的测量原理是通过传感器将被测材料的微小形变量转换成电学量进行测量。常用的传感器有：应变电阻传感器、电感传感器、电容传感器、热电传感器和霍尔传感器等，都需要与被测材料表面接触，来获取被测形面的几何信息。该方法属于电学测量领域中的接触式测量，测量精度较高，但所需元件较多、测量效率较低、测量范围较小。

激光干涉法是通过测量干涉级次或条纹移动数目得到材料相应的形变，具有非接触、测量精度高等优点。为了提高测量精度，常需要一些辅助器件，如高精度的电致位移镜等。

云纹干涉法是基于光的衍射和干涉原理，将一光栅贴在被测材料上形成试件栅，利用两束相干的准直光照射到试件栅上，根据衍射波干涉条纹的形状及变化测量出被测材料表面的变形分布及变化。该方法具有非接触性、全场性、实时性、分辨率高等优点，但试件栅本身的质量及胶层厚度会对测量结果产生直接影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于数字全息干涉的材料电致应变及其分布的测量方法，得到待测材料的电致应变及其分布，也可得到材料的逆压电系数。

本发明的一种基于数字全息干涉的材料电致应变及其分布的测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、对被测材料施加电场，记录不同电场下材料的数字全息图，对所记录的数字全息图进行数字再现、相位解包裹，得到不同电场下被测材料的相位分布

步骤二、将不同电场下的相位分布和相减，得到不同状态下物光波的相位变化分布即为

步骤三、由相位变化分布计算得到待测材料的应变分布其中λ为激光波长，l为测试应变方向上材料的长度，θ为观察方向与被测材料表面的法线间的夹角；对不同电场E下得到的应变S进行描点绘图，得到材料的电致应变曲线，即“S-E”曲线；

步骤四、由外加电场最大时的最大相位变化分布计算得到待测材料的逆压电系数其中E_max为外加的最大电场值；当测试的应变方向与外加电场方向一致时，i＝j，所得为纵向逆压电系数；当测试的应变方向与外加电场方向垂直时，i≠j，所得为横向逆压电系数。

所述步骤一中，数字全息图的记录系统包括两种情形，即对于不透光待测材料，采用反射型数字全息系统；对于透光待测材料，采用透射型数字全息系统，实现不同材料的应变及其分布的测量。

该方法还可用于由磁场、温度场或应力场引起的应变及其分布测量。