[發明專利]一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置及解耦方法

有效

• 申請號: 201910880205.6
• 申請日: 2019-09-18
• 公開（公告）號: CN110632161B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 嵇輝;徐明龍;劉開園;張舒文;武彤暉;申勝平
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N27/60
• 分類號: G01N27/60;G01R29/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置進行剪切向撓曲電系數的解耦方法，該實驗測量裝置包括由撓曲電材料制成的試件(2)，與試件(2)上下端固定連接的夾持端(1)，位于試件(2)側面沿軸對稱分布的電極(3)，與電極(3)連接的電荷放大器(4)，與電荷放大器(4)輸出端連接的信號處理模塊(5)，輸出扭矩的加載設備(6)；所述試件(2)為半圓柱形試件或半圓臺形試件；加載設備(6)夾持住試件(2)兩端的夾持端(1)施加扭矩,半圓柱試件沿徑向產生剪切應變梯度而產生電極化，半圓臺試件沿徑向和軸向分別產生剪切應變梯度而產生電極化；

其特征在于：所述解耦方法為：將固定在試件(2)上的夾持端(1)與加載設備(6)連接，當加載設備(6)輸出扭矩，扭矩通過夾持端(1)傳遞到試件(2)，由此試件(2)發生扭轉變形并產生剪切應變；當試件(2)為半圓柱形試件時，剪切應變僅在徑向產生應變梯度并由此產生剪切撓曲電致的電極化；當試件(2)為半圓臺形試件時，剪切應變在徑向以及軸向均產生應變梯度并由此產生兩種剪切撓曲電致的電極化疊加；以上產生的極化電荷通過電極(3)輸出至電荷放大器(4)的輸入端，并由電荷放大器將電荷信號轉化成電壓信號并傳入信號處理模塊(5)，再結合加載設備(6)的載荷參數、撓曲電材料參數和試件(2)結構參數后，聯立方程，能夠分別解出沿徑向和沿軸向的剪切撓曲電系數；

所述的分別解出沿徑向和沿軸向的剪切撓曲電系數的方法如下：

試件(2)在扭轉變形下產生的電荷與材料的剪切應變梯度存在關系；未極化的撓曲電材料中不存在壓電效應，材料的撓曲電效應表示為：

其中P_l、μ_ijkl、ε_ij和x_k分別為極化程度、撓曲電系數、應變和梯度方向；而極化程度則描述為電荷與電荷分布面積的比，即

其中：Q_l和A分別是電荷量和對應電極面積；

半圓柱形試件在純扭轉下的剪切應變只沿徑向發生變化，其應變梯度表示為：

其中：γ_zρ是扭轉狀態下產生的剪切應變，M是施加的扭矩，ν和E是材料泊松比和彈性模量，R是半圓柱的半徑，z和ρ分別是圓柱坐標系下的軸向和徑向方向，n是公式計算中的奇數項；

半圓臺形試件在純扭轉下的剪切應變分別沿徑向和軸向發生變化，其應變梯度表示為：

其中k是圓臺的錐度；

對于半圓柱形試件和半圓臺形試件的剪切向撓曲電系數測量實驗裝置，公式(2)改寫成如下方式：

其中Q_a和Q_b分別是在半圓柱形試件和半圓臺形試件上產生的極化電荷，A_a和A_b分別是半圓柱形試件和半圓臺形試件相應的電極面積；是圓柱坐標系下的環向方向；和分別是沿徑向和軸向的剪切撓曲電系數；

從而，把由信號處理模塊(5)的輸出信號和由加載設備(6)施加的載荷參數、撓曲電材料參數以及試件(2)結構參數根據公式(3)和公式(4)計算出的相應的應變梯度代入公式(5)，即解耦出沿徑向的剪切撓曲電系數和沿軸向的剪切撓曲電系數

2.根據權利要求1所述的一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置進行剪切向撓曲電系數的解耦方法，其特征在于：所述試件(2)的幾何中心與夾持端(1)保持重合以保證試件(2)受到純扭轉載荷。

3.根據權利要求1所述的一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置進行剪切向撓曲電系數的解耦方法，其特征在于：所述電極(3)的剛度比試件(2)低至少2個數量級并具有良好的導電性。

4.根據權利要求1所述的一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置進行剪切向撓曲電系數的解耦方法，其特征在于：所述電荷放大器(4)的測量精度能夠滿足撓度電材料制成的試件(2)的微電荷測量需求。

5.根據權利要求1所述的一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置進行剪切向撓曲電系數的解耦方法，其特征在于：所述夾持端(1)為與加載設備(6)的夾頭形狀相適配的六棱柱形、四棱錐形或圓柱形。