一种曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量制造技术

本发明专利技术提供一种曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量方法，包括提供形成有光栅的光纤；确定待测曲面试样的被测位置，通过粘接方式将各光栅紧密贴敷于待测试样各表面；测量各被测位置光纤与待测试样粘接的粘结区长度；改变环境温度，监测各温度下所述光栅反射光的波长，根据光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系计算各光纤光栅的应变，得到各被测位置的测量应变；以及根据各被测位置光栅长度、粘结区长度和对应的测量应变，得到各温度下待测试样的平均应变值。本发明专利技术的方法为换能器用压电复合材料的检测提供了可靠依据，同时为曲面压电复合材料设计和制备工艺的改进提供了有效的检验手段，可提升换能器及声呐系统的环境适应性。

Measurement of temperature bending deformation of a curved piezoelectric composite

【技术实现步骤摘要】
一种曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量
本专利技术属于材料形变测量领域，特别涉及曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量方法。
技术介绍
换能器是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的装置。由于声波是迄今人类所掌握的唯一能在浩瀚大海中远距离传递信息和能量的载体，因此目前水下探测、通讯、导航、测绘等大都依赖水声换能器。目前常用的水声换能器主要为压电换能器，压电元件(即换能元件)是其核心部件，直接决定了换能器的性能。随着换能器应用环境的扩展，对换能器的形状和各种性能参数都提出新的要求。例如，球形压电换能器一般是采用压电复合材料球壳作为其压电元件，其利用的是压电复合材料球壳的径向振动。压电复合材料是由压电陶瓷和聚合物按照一定规则复合构成的，压电陶瓷的体积-温度膨胀(收缩)系数与聚合物的不同，导致压电复合材料在温度变化时产生不同程度的形变。与压电复合材料不同，压电陶瓷材料是烧结成瓷的致密单相材料，形变很小，对换能器性能的影响几乎可忽略，因此也不需要对其形变进行测试。因为压电复合材料的弯曲形变会对换能器和声呐系统造成如下影响：(1)频率漂移，影响换能器阵基元频率一致性，导致换能器阵性能下降；(2)造成换能器的波束开角变化，进而使声呐系统定位精度降低；(3)导致压电复合材料与换能器背衬剥离，降低了换能器的耐水压能力；(4)严重的变形会使压电复合材料断裂，导致换能器完全损毁。因此，压电复合材料温度形变的定量测试特别是具有曲面形状的压电复合材料温度形变的定量测试成为迫切需要解决的问题。专利技术内容本专利技术的目的在于提供曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量方法，包括提供形成有光栅的光纤；确定待测曲面试样的被测位置，通过粘接的方式将各光栅紧密贴敷于待测试样各表面；测量各被测位置光纤与待测试样粘接的粘结区长度；改变环境温度，监测各温度下所述光栅反射光的波长，根据光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系计算各光纤光栅的应变，得到各被测位置的测量应变；以及根据各被测位置光栅长度、粘结区长度和对应的测量应变，得到各温度下待测试样的平均应变值。优选地，在同一根光纤上制作多个光栅，并使用同一根光纤上的多个光栅测量各被测位置的应变，将所述平均应变值乘以总长度或总面积得到总形变。优选地，所述被测位置设置在待测试样的各个表面，分别测量得到各个表面的平均应变值。优选地，根据下式计算各温度T时待测试样一曲面的平均应变值εT其中，n为该曲面被测位置个数，εT1,εT2,…,εTi,…,εTn为温度T时该曲面各被测位置的光栅轴向测量应变；L1,L2,…,Li,…,Ln为该曲面各被测位置的粘结区长度与对应位置光栅长度之比，i为1,…,n，n为被测位置个数。优选地，该方法进一步包括，将光纤上至少一个光栅不与待测试样接触作为补偿光栅，监测各温度下补偿光栅反射光的波长并计算各温度T下补偿光栅的应变，按下式计算被测位置经温度补偿的压电复合材料的应变值εTEi＝εTi-εTE其中εTEi是温度T时各被测位置经温度补偿的测量应变，εTi是温度T时各被测位置的光栅轴向测量应变，i为1,…,n，n为被测位置个数，εTE是补偿光栅的光栅轴向测量应变。优选地，根据下式计算各温度T时待测曲面试样一曲面经温度补偿的平均应变值εTEL1,L2,…,Li,…,Ln为该曲面各被测位置的粘结区长度与对应位置光栅长度之比，i为1,…,n，n为被测位置个数。优选地，所述粘结剂选自401胶、353ND胶和DB420胶。根据本专利技术的另一方面，提供一种曲面压电复合材料的温度弯曲形变曲率半径的测量方法，该方法包括按照如上所述的曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量方法，获得各温度下待测曲面试样的平均应变值，根据待测试样的初始曲率半径和各温度下待测试样的平均应变值计算各温度下待测试样的曲率半径RTRT＝(1+εT)×R其中R为待测曲面试样初始曲率半径，εT温度T时被测位置的光栅轴向测量应变；或者将被测位置设置在待测曲面试样的内表面和外表面，分别基于各温度下待测试样内表面和外表面的测量应变，计算各温度下待测试样的中表面曲率半径R中表面T，R外表面T＝(1+ε外表面T)×R外表面R内表面T＝(1+ε内表面T)×R内表面其中，R外表面为待测试样初始外表面曲率半径，R外表面T为温度T时待测试样外表面曲率半径，ε外表面T为待测试样温度T时外表面平均测量应变；R内表面为待测试样初始内表面曲率半径，R内表面T为温度T时待测试样内表面曲率半径，ε内表面T为待测试样温度T时内表面平均测量应变。优选地，该方法进一步包括，被测试样曲率KT为：或者优选地，该方法进一步包括，将光纤上至少一个光栅不与待测试样接触作为补偿光栅，监测各温度下补偿光栅反射光的波长并计算各温度下补偿光栅的应变，按下式计算被测位置经温度补偿的被测试样的平均应变值εTEi＝εTi-εTE其中εTEi是温度T时各被测位置经温度补偿的测量应变，εTi是温度T时各被测位置的光栅轴向测量应变，i为1,…,n，n为被测位置个数，εTE是补偿光栅的光栅轴向测量应变。本专利技术的有益效果如下：本专利技术针对换能器用曲面压电复合材料温度弯曲形变的定量测试需求，提出了基于光纤光栅传感法定量测试曲面压电复合材料温度弯曲形变的方法。根据本专利技术的方法，通过在曲面压电复合材料的各个表面设置测量位置并精确测量各个测量位置包括光栅的光纤部分与压电复合材料的接触长度，实现对曲面压电复合材料温度弯曲形变定量测试的精度控制，解决了曲面压电复合材料温度形变定量测试问题，使得曲面压电复合材料相关性能参数得到精确测量。本专利技术测试方法可为换能器用压电复合材料的检测提供可靠依据，同时为曲面压电复合材料设计和制备工艺的改进提供了有效的检验手段，进而提升换能器及声呐系统的环境适应性。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明：图1示出根据本专利技术实例的光纤光栅示意图；图2A和2B示出根据本专利技术测试方法的光纤光栅布局示意图；图3示出根据本专利技术测试方法的光纤光栅粘结区示意图；图4A-4C示出根据本专利技术测试方法得到的曲面压电复合材料各方向平均温度应变。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。光纤光栅是一种通过使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、全兼容于光纤的优点，并且其谐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量方法，包括/n提供形成有光栅的光纤；/n确定待测曲面试样的被测位置，通过粘接的方式将各光栅紧密贴敷于待测试样各表面；/n测量各被测位置光纤与待测试样粘接的粘结区长度；/n改变环境温度，监测各温度下所述光栅反射光的波长，根据光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系计算各光纤光栅的应变，得到各被测位置的测量应变；以及/n根据各被测位置光栅长度、粘结区长度和对应的测量应变，得到各温度下待测试样的平均应变值。/n

【技术特征摘要】
1.一种曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量方法，包括
提供形成有光栅的光纤；
确定待测曲面试样的被测位置，通过粘接的方式将各光栅紧密贴敷于待测试样各表面；
测量各被测位置光纤与待测试样粘接的粘结区长度；
改变环境温度，监测各温度下所述光栅反射光的波长，根据光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系计算各光纤光栅的应变，得到各被测位置的测量应变；以及
根据各被测位置光栅长度、粘结区长度和对应的测量应变，得到各温度下待测试样的平均应变值。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在同一根光纤上制作多个光栅，并使用同一根光纤上的多个光栅测量各被测位置的应变，将所述平均应变值乘以总长度或总面积得到总形变。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被测位置设置在待测试样的各个表面，分别测量得到各个表面的平均应变值。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据下式计算各温度T时待测试样一曲面的平均应变值εT



其中，n为该曲面被测位置个数，εT1,εT2,…,εTi,…,εTn为温度T时该曲面各被测位置的光栅轴向测量应变；
L1,L2,…,Li,…,Ln为该曲面各被测位置的粘结区长度与对应位置光栅长度之比，i为1,…,n，n为被测位置个数。


5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括，将光纤上至少一个光栅不与待测试样接触作为补偿光栅，监测各温度下补偿光栅反射光的波长并计算各温度T下补偿光栅的应变，按下式计算被测位置经温度补偿的压电复合材料的应变值
εTEi＝εTi-εTE
其中εTEi是温度T时各被测位置经温度补偿的测量应变，εTi是温度T时各被测位置的光栅轴向测量应变，i为1,…,n，n为被测位置个数，εTE是补偿光栅的光栅轴向测量应变。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据下式计算各温度T时待测曲面试样一曲面经温度补偿的平均应变值εTE



L1,L2,…,Li...

【专利技术属性】
技术研发人员：王改丽，申丽丽，廖擎伟，康冰琳，李晋忠，张晶晶，肖文杰，孙悦，王丽坤，桑作钧，单晓艳，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军七零一工厂，
类型：发明
国别省市：北京;11