一种基于检测电荷的挠曲电动态效应直接检测装置及方法

摘要

一种基于检测电荷的挠曲电动态效应直接检测装置及方法，该装置包括分别设置在试件上下表面的上双面金属电极片和下双面金属电极片，上双面金属电极片的下金属电极与试件的上表面相接触；下双面金属电极片的上金属电极与试件的下表面相接触；上双面金属电极片的上金属电极与下双面金属电极片的下金属电极通过地线相连；下双面金属电极片的上金属电极连接测量电荷信号的引线，引线依次连接电荷放大器和显示存储装置；试件侧面与高频超声探头连接，高频超声探头通过引线依次与功率放大器和高频脉冲发生器连接；本发明还提供了检测方法，通过激励高频超声波检测所测试件的输出电荷，能够方便、简单的实现挠曲电动态效应的直接检测。

说明书

技术领域

本实验方法涉及挠曲电动态效应检测技术领域，具体涉及一种基 于检测电荷的挠曲电动态效应直接检测量装置及方法。

背景技术

力电耦合现象广泛存在于各种人工和天然材料中。压电材料是一 种重要的智能材料，这种材料受到机械应力作用的时候会产生电极 化，反之在电场中会产生机械变形。压电效应产生于晶体中原子间的 相对位移，而且只有非对称晶体才能产生压电效应。挠曲电效应是指 由非均匀应变场或应变梯度产生电极化现象，与压电效应不同的是， 及时对于中心对称晶体，挠曲电效应同样可以是材料产生电极化。在 固体原子晶体中，应变梯度使得原子具有非均匀的相对位移，从而破 坏晶体的反演对称，在晶体中产生极化。由于压电效应是由均匀应变 产生的，挠曲电效应是由非均匀的应变产生的，这种机理上的差别导 致了在宏观尺度下压电效应较为明显，而在微观尺度下，挠曲电效应 不能被忽略。由于对晶体结构对称性相对宽松的要求，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。

当高频超声波通过介质时，超声波波长和晶格长度接近时，振动 会产生依赖于时间的应变梯度，而应变梯度会产生离子的极化位移。 对于超声波来说，原子的加速度正比于应变梯度，不同质量的离子的 加速度产生额外的极化位移，从而产生挠曲电动态效应，产生极化电 荷。挠曲电动态效应通常定义为：

$P={\mu }_d\frac{\partial ϵ}{\partial x}$

其中μ_d＝-χcM/ρ是动态挠曲电系数。M是由晶格动力学计算出 的系数。ε是材料的弹性应变，x是梯度的方向，P是由挠曲电效应 导致的应变梯度产生的极化，ρ是密度，c是弹性常数。在国际单位 制下，挠曲电系数的单位是C/m。

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。这样研究挠曲电动态理论和检 测方法就具有非常重要的科研工程意义。迄今为止，挠曲电动态效应 的检测装置及方法仍为空白，现在设计一种高频超声波激励检测挠曲 电动态效应的检测装置及方法，通过直接检测输出电荷，来检测材料 挠曲电动态效应，实验方法简单可行。

发明内容

本实验的目的在于提供一种基于检测电荷的挠曲电动态效应直 接检测量装置及方法，通过激励高频超声波在试件中产生应变梯度， 从而测量发生挠曲电效应产生的电荷，来检测所测材料的挠曲电动态 效应。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于检测电荷的挠曲电动态效应直接检测装置，包括分别设 置在试件2上表面和下表面的上双面金属电极片1和下双面金属电极 片3，所述上双面金属电极片1的上下表面分别设置有上金属电极和 下金属电极，上双面金属电极片1的下金属电极与试件2的上表面相 接触；所述下双面金属电极片3的上下表面分别设置有上金属电极和 下金属电极，下双面金属电极片3的上金属电极与试件2的下表面相 接触；所述上双面金属电极片1的上金属电极与下双面金属电极片3 的下金属电极通过地线6)相连接；所述下双面金属电极片3的上金 属电极连接测量电荷信号的引线10，所述测量电荷信号的引线10依 次连接电荷放大器11和显示存储装置12；所述试件2的侧面通过耦 合剂5与高频超声探头4连接，高频超声探头4通过引线7依次与功 率放大器8和高频脉冲发生器9连接。

所述上双面金属电极片1和下双面金属电极片3为PCB板。

所述地线6与上双面金属电极片1的上金属电极和下双面金属电 极片3)的下金属电极通过引线键合的方式连接。

所述测量电荷信号的引线10和下双面金属电极片3的上金属电 极通过引线键合的方式连接。

所述显示存储装置12为示波器。

上述所述的检测装置的检测方法，高频脉冲发生器9产生电信 号，通过引线7传输给功率放大器8放大功率后，激励高频超声探头 4产生高频超声波，高频超声波通过试件2时，发生位移并产生应变 梯度，再由挠曲电效应在试件2上下表面产生极化电荷，试件2下表 面电荷通过下双面金属电极片3的上金属电极经由测量电荷信号的 引线10传到电荷放大器11中，转化为电压值后在显示存储装置12 中显示存储；

当高频超声波通过试件2时，超声波波长和晶格长度接近时，振 动会产生依赖于时间的应变梯度，而应变梯度会产生离子的极化位 移；对于高频超声波来说，原子的加速度正比于应变梯度，不同质量 的离子的加速度产生额外的极化位移，从而产生挠曲电动态效应，产 生极化电荷，其表达式为：

$P=(\mu +{\mu }_d)\frac{\partial ϵ}{\partial x}=\frac{Q}{H^2}$

U＝kQ

其中μ_d＝-χcM/ρ是动态挠曲电系数，M是由晶格动力学计算出 的系数，ρ是密度，c是弹性常数；μ是静态挠曲电系数，ε是材料 的弹性应变，x是梯度的方向，P是由挠曲电效应导致的应变梯度产 生的极化，Q是下双面金属电极片3的上金属电极输出电荷，k为电 荷放大系数，U为电压值的输出量，H为材料试件下表面边长。通过 公式能够看出，只要检测输出电荷值，就能够检测挠曲电动态效应。

本发明具有以下优点：

1)迄今为止，挠曲电动态效应的检测装置及方法仍为空白。本 发明填补了这方面的空白，为更深入的研究提供实验方法及思路。

2)本发明采用直接测量电荷，电荷放大器可以检测到微小电荷 变化并放大，不需要使用高精度锁相电流放大器来测量电流，实验简 单可靠。

3)所需仪器仅为高频超声波激励设备、电荷放大器和示波器， 易于操作。

附图说明

附图为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。 如附图所示，本发明一种基于检测电荷的挠曲电动态效应直接检测 装置，包括分别设置在试件2上表面和下表面的上双面金属电极片1 和下双面金属电极片3，所述上双面金属电极片1的上下表面分别设 置有上金属电极和下金属电极，上双面金属电极片1的下金属电极与 试件2的上表面相接触；所述下双面金属电极片3的上下表面分别设 置有上金属电极和下金属电极，下双面金属电极片3的上金属电极与 试件2的下表面相接触；所述上双面金属电极片1的上金属电极与下 双面金属电极片3的下金属电极通过地线6相连接；所述下双面金属 电极片3的上金属电极连接测量电荷信号的引线10，所述测量电荷 信号的引线10依次连接电荷放大器11和显示存储装置12；所述试 件2的侧面通过耦合剂5与高频超声探头4连接，高频超声探头4通 过引线7依次与功率放大器8和高频脉冲发生器9连接。

作为本发明的优选实施方式，所述上双面金属电极片1和下双面 金属电极片3为PCB板。

作为本发明的优选实施方式，所述地线6与上双面金属电极片1 的上金属电极和下双面金属电极片3)的下金属电极通过引线键合的 方式连接。所述测量电荷信号的引线10和下双面金属电极片3的上 金属电极通过引线键合的方式连接。这样，由试件挠曲电效应产生的 电荷就可以通过引线输出到外部测量仪器中。

作为本发明的优选实施方式，所述显示存储装置12为示波器。

如附图所示，本发明检测装置的检测方法，高频脉冲发生器9产 生电信号，通过引线7传输给功率放大器8放大功率后，激励高频超 声探头4产生高频超声波，高频超声波通过试件2时，因为这种波长 尺度通过试件时才能引起原子的振荡，从而发生位移并产生应变梯 度，再由挠曲电效应在试件2上下表面产生极化电荷，试件2下表面 电荷通过下双面金属电极片3的上金属电极经由测量电荷信号的引 线10传到电荷放大器11中，转化为电压值后在显示存储装置12) 中显示存储；

当高频超声波通过试件2时，超声波波长和晶格长度接近时，振 动会产生依赖于时间的应变梯度，而应变梯度会产生离子的极化位 移；对于高频超声波来说，原子的加速度正比于应变梯度，不同质量 的离子的加速度产生额外的极化位移，从而产生挠曲电动态效应，产 生极化电荷，其表达式为：

$P=(\mu +{\mu }_d)\frac{\partial ϵ}{\partial x}=\frac{Q}{H^2}$

U＝kQ

其中μ_d＝-χcM/ρ是动态挠曲电系数，M是由晶格动力学计算出 的系数，ρ是密度，c是弹性常数；μ是静态挠曲电系数，ε是材料 的弹性应变，x是梯度的方向，P是由挠曲电效应导致的应变梯度产 生的极化，Q是下双面金属电极片3的上金属电极输出电荷，k为电 荷放大系数，U为电压值的输出量，H为材料试件下表面边长。通过 公式能够看出，只要检测输出电荷值，就能够检测挠曲电动态效应。