阅读说明：本技术 一种曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量 (Measurement of temperature bending deformation of curved surface piezoelectric composite material ) 是由 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 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention provides a method for measuring temperature bending deformation of a curved piezoelectric composite material, which comprises the steps of providing an optical fiber with a grating; determining the measured position of the curved surface sample to be measured, and closely attaching each grating to each surface of the sample to be measured in an adhesion mode; measuring the length of a bonding area for bonding each measured position optical fiber with a sample to be measured; changing the ambient temperature, monitoring the wavelength of the grating reflected light at each temperature, and calculating the strain of each fiber grating according to the relationship between the wavelength variation of the grating reflected light and the strain of the fiber grating to obtain the measurement strain of each measured position; and obtaining the average strain value of the sample to be measured at each temperature according to the length of each measured position grating, the length of the bonding area and the corresponding measured strain. The method of the invention provides reliable basis for the detection of the piezoelectric composite material for the transducer, and simultaneously provides effective inspection means for the improvement of the design and preparation process of the curved surface piezoelectric composite material, thereby improving the environmental adaptability of the transducer and a sonar system.)

一种曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测量

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

根据本发明的一个方面，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ε_T

其中，n为该曲面被测位置个数，ε_T1,ε_T2,…,ε_Ti,…,ε_Tn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

ε_TEi＝ε_Ti-ε_TE

其中ε_TEi是温度T时各被测位置经温度补偿的测量应变，ε_Ti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，ε_TE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ε_TE

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，所述粘结剂选自401胶、353ND胶和DB420胶。

根据本发明的另一方面，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R_T

R_T＝(1+ε_T)×R

其中R为待测曲面试样初始曲率半径，ε_T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K_T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

ε_TEi＝ε_Ti-ε_TE

其中ε_TEi是温度T时各被测位置经温度补偿的测量应变，ε_Ti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，ε_TE是补偿光栅的光栅轴向测量应变。

本发明的有益效果如下：

本发明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。根据本发明的方法，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。本发明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

下面结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步详细的说明：

图1示出根据本发明实例的光纤光栅示意图；

图2A和2B示出根据本发明测试方法的光纤光栅布局示意图；

图3示出根据本发明测试方法的光纤光栅粘结区示意图；

图4A-4C示出根据本发明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发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。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，不应以此限制本发明的保护范围。

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，并且其谐振波长对温度、应变等外界环境的变化比较敏感，在传感领域得到了广泛的应用。光纤光栅反射光的波长变化量与光纤光栅的应变的关系为：

其中，λ为光纤光栅反射光的波长，Δλ为光纤光栅反射光的波长变化量，ε为光栅轴向应变，P为光纤的泊松比。将光纤紧密贴附于压电复合材料被测试样，使光纤应变与试样应变相同，则测量得到的光栅轴向测量应变即为被测试样测试位置的应变。通过光纤光栅解调仪监测光纤光栅反射光的波长λ，并通过上述公式对测试数据进行计算、分析和处理，即可获得测试试样应变值。

下面结合图1-3具体说明根据本发明的测试方法。为了减少工艺不一致性带来的误差，优选使用同一根光纤上的光栅测试试样三维方向或者各个曲面的应变。设计适用于试样测试的光栅周期，光栅长度及光栅与光栅的间距可随试样测试具体需求进行设计。图1示出根据本发明实例的光栅光纤。每一光栅的长度为3mm，光栅间隔根据需要被设置为5mm-300mm，例如15mm，30mm，50mm，150mm，200mm等。被测位置设置在曲面测试试样的各个表面，包括外侧曲面、内侧曲面、厚度及宽度方向等各表面，根据表面的大小确定被测点的位置和个数。例如，曲面压电复合材料的光纤光栅布局，应在曲面压电复合材料的外曲面表面和内曲面表面同时布局贴覆，内外表面布局的方向优选相同，每个面上优选在两个相互垂直的方向上，例如x和y方向，同时布局，同时在曲面压电复合材料的厚度方向布局，以监测其不同位置的温度形变。为了测试的准确性，每个方向上或者每个被测表面应布局多个光栅。图2A和2B示意了曲面压电复合材料、光纤光栅，以及根据本发明实例的光纤光栅布局方法。

为了将环境因素的变化引起的光纤光栅自身变化量排除，在将光栅布贴覆于测试点时，需要设置至少一个光栅悬空而不贴覆于压电复合材料表面，使其应变仅受环境变化例如环境温度影响，以便用于对测试点光栅进行环境补偿。测试完成后将贴附于曲面压电复合材料的光栅数据与用于环境补偿的光栅数据相减，可排除环境因素对光纤测量的影响。补偿光栅可位于光纤的任何位置，例如，将位于光纤端部的光栅用于进行环境补偿的测量，如图1-2所示，将位于光纤端部的第一光栅用作补偿光栅。改变测试温度，记录各温度下的测量应变。例如在温度T时压电复合材料测试位置1测得的应变为ε_T1，用于环境补偿的光纤光栅测得的应变为ε_TE，则温度T测试位置i的经温度补偿的测量应变ε_TEi为

ε_TEi＝ε_Ti-ε_TE

其中，ε_Ti为温度T时试样测试点i测得的测量应变；ε_TE为温度T时环境因素引起的光纤光栅应变，i为选自1-n的被测位置。

使用速干型胶，优选其温度形变基本可以忽略的胶，例如401胶、353ND胶或DB420胶将光纤光栅粘贴至待测位置，确保光纤光栅和曲面压电复合材料紧密贴合无相对位移。对于每个测试点，由于粘结剂涂覆工艺或施加工艺的限制，沿检测方向的胶结层粘贴长度很难与光栅长度完全相等，为得到测试试样的精确应变值，应考虑胶结区域对测试试样应变的影响。测量每个测试点粘接胶结区域的长度l，也即测量各被测点光纤与待测压电复合材料粘接的粘结区长度，如图3所示，得到l₁，l₂，…，l_n为各被测位置的粘结区长度；测量每个对应光栅的长度l_栅1，l_栅2，…，l_栅n，得到n为测试点个数。将各测量位置粘结区长度与对应位置光栅长度的比值用于对该测量位置光栅测量应变的修正，可以更为准确的表征曲面压电复合材料的应变。将光栅测到的每个测试点的测量应变除以该测试点胶结层的长度得到该测试点处的应变值。按照下面的公式将某个方向或某个曲面的各测试点的测量应变取平均后，即得到试样在该方向的平均应变值ε_T，

其中，n为该曲面被测位置个数，ε_T1,ε_T2,…,ε_Ti,…,ε_Tn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。

将被测试样的平均应变值乘以被测试样总长度或总面积即可得到总形变E。

根据本发明的优选实施方式，在采用补偿光栅考虑环境因素对各光纤光栅的测量应变进行环境补偿的情况下，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ε_TE

ε_TEi是温度T时各被测位置i经温度补偿的测量应变，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，对于曲面试样，光纤光栅的测量应变与曲率半径的关系为：

R_T＝(1+ε_T)×R

其中，R为曲面试样初始曲率半径，ε_T为温度为温度T时曲面试样的平均轴向应变，R_T为温度为T时该曲面试样的曲率半径。

此时，因此曲面压电复合材料曲率K_T为：

根据本发明的优选实施例，对于x方向上的曲面，用内外表面中间位置的曲率半径，来表示曲面压电复合材料x方向上的变化，则

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

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。

此时，曲面压电复合材料曲率K_T为：

曲面y方向的曲率可按照以上方法进行计算。

利用压电复合材料温度形变的测试系统实现本发明的上述测量方法。该测试系统的组成及连接关系例如包括，高低温实验箱，用于营造压电复合材料自身温度上升的使用环境；解调仪，用于监测光纤光栅反射光的波长；阻抗分析仪，用于测量压电复合材料的谐振频率、电容等性能参数；计算机，用于对解调仪、阻抗分析仪获得的测试数据进行计算、分析和处理，获得应变值、形变值。

下面将参照实例具体描述根据本发明的测试方法。

选取在同一根光纤上形成有12个光栅的光纤传感器，光栅布局如图1所示。选取曲率半径R_内表面＝45.00mm，R_外表面＝50.00mm的曲面压电复合材料，如图2所示将端部的光栅用作环境补偿光栅，将其他11个光栅通过401胶紧密贴附于压电复合材料表面。测量每一测试点粘结区长度，如下表所示

分别在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃和100℃测量各测试点的应变，并按上述公式2进行计算，得到压电复合材料的X方向、Y方向和厚度Z方向的经温度补偿且去除粘结区胶层长度影响的平均温度曲面应变，如图4A-4C所示。从各方向的应变和各方向的形变可以看出，曲线基本成线性，结果验证了采用光纤光栅传感法测试曲面压电复合材料温度弯曲形变的可行性。

在图4A-4C中，同时给出了经温度补偿但不考虑粘结区胶层长度影响的平均温度弯曲应变的对比数据，计算公式为：

ε_TEi是温度T时各被测位置i经温度补偿的测量应变，i为1,…,n，n为被测位置个数。

从图4A-4C中可以看出，不考虑胶层长度影响计算得到的平均应变比考虑胶层影响的平均应变大约一个数量级，偏离实际情况。因此，计算温度弯曲应变必须考虑胶层长度的影响。

本发明通过研究光纤在曲面上的布局、采点、计算和数据处理，提出基于光纤光栅法测量曲面压电复合材料的温度弯曲形变的测试方法，解决了曲面压电复合材料温度形变定量测试问题，使曲面压电复合材料相关性能参数得到精确检测，使得使用曲面压电复合材料的换能器的质量得到控制。本发明可为换能器用压电复合材料的检测提供可靠依据，同时可促进曲面压电复合材料设计和制备工艺的改进，进而提升换能器及声呐系统的环境适应性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。