0-1極化PLZT陶瓷光致特性及光控微鏡驅動基礎研究.pdf

1、微鏡是微光機電系統(tǒng)中一種重要的光學器件，被廣泛應用于光學系統(tǒng)、微機械光開關、精密測量、醫(yī)療成像、生物技術和航空航天等國防和民用領域。針對目前微鏡驅動方式需電磁激發(fā)裝置，易引入電磁干擾，無法在獨立環(huán)境中工作等問題，開展了鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)陶瓷驅動的光控微鏡以及光激勵控制策略的基礎研究。與傳統(tǒng)微鏡驅動方式相比，PLZT陶瓷驅動的光控微鏡無需導線連接外電源，具有驅動清潔、無電磁干擾、無線能量驅動以及非接觸激勵控制等優(yōu)點，適于潔凈操作空

2、間及真空環(huán)境等獨立工作環(huán)境下的遠程非接觸操作，具有重要的理論研究價值及工程應用研究意義。本文采用理論研究、計算仿真和實驗研究相結合的方法，針對0-1極化PLZT陶瓷的光致特性及其影響因素、0-1極化PLZT陶瓷光致多物理場耦合數(shù)學模型構建、光致作動器的驅動性能改進措施及新型光控復合驅動研究、光控PLZT陶瓷驅動微鏡的結構設計及其控制策略原理性驗證實驗等問題進行研究，為光控驅動智能材料與結構在工程領域的應用提供理論依據(jù)。
　　通過0

3、-1極化PLZT陶瓷光致特性靜態(tài)實驗，研究了光照階段光生電壓與光致形變的變化規(guī)律、光致形變與光生電壓之間的遲滯現(xiàn)象、光停后電極間出現(xiàn)的反向電壓現(xiàn)象以及殘余電壓/應變的變化規(guī)律;然后對相關實驗現(xiàn)象的產生機理進行了實驗驗證，揭示了導致光致形變與光生電壓之間存在遲滯現(xiàn)象和光生電壓變化趨勢的產生機理及主要影響因素，并指出該影響因素在構建0-1極化PLZT陶瓷數(shù)學模型時不可被忽略。
　　采用理論研究和實驗研究相結合的方法，建立了0-1極化P

4、LZT陶瓷光致多物理場耦合數(shù)學模型。對0-1極化PLZT陶瓷光致多物理場耦合特性進行理論分析，并對形成多物理場耦合的各種效應機理進行了深入分析，理清了光致多物理場之間的耦合關系;在此基礎上，構建了光照階段和光停階段0-1極化PLZT陶瓷的光致多物理場耦合數(shù)學模型，并基于該模型在理論上對光致形變和光生電壓之間的遲滯現(xiàn)象和光生電壓變化趨勢進行了合理解釋;通過光致特性靜態(tài)實驗證明了所建立的數(shù)學模型能夠準確描述光-熱-電-力多物理場耦合下光致形

5、變及光生電壓的變化規(guī)律。
　　基于0-1極化PLZT陶瓷的光致響應分析，開展了0-1極化PLZT陶瓷的驅動性能改進研究。針對0-1極化PLZT陶瓷光致形變響應速度緩慢以及光停后存在顯著的殘余電壓/應變等問題，提出了隔離光致溫升、光停后電極接地以及光停后反向驅動等三種改進措施，并對其改進效果進行了實驗驗證;在此基礎上，提出了兩種新型的光控復合驅動方式，并推導了不同復合驅動下光控驅動器的激勵力;針對所提出的PLZT雙晶片驅動的懸臂梁式

6、執(zhí)行器構型，推導了光照下該執(zhí)行器輸出力與輸出位移的表達式，參數(shù)評價了中間彈性梁厚度與楊氏模量對該執(zhí)行器輸出性能的影響，并對其輸出力和輸出位移進行了理論計算和有限元仿真分析。
　　在對光控微鏡各組成機構方案選擇及論述的基礎上，確定了x-y-θx-θy四自由度光控PLZT陶瓷驅動微鏡裝置的整體設計方案。對光控微鏡平移機構的剛度、實際放大倍數(shù)、輸出位移和固有頻率等關鍵參數(shù)進行了分析和計算，在此基礎上確定了平移機構的尺寸參數(shù)，并進行了有限

7、元仿真分析;推導了光電-靜電復合驅動旋轉機構的旋轉角度，并分析了旋轉角度與光照時間、光照強度之間的關系。
　　為驗證新型光控復合驅動的可行性及光控微鏡伺服系統(tǒng)控制策略的有效性，以單片0-1極化PLZT陶瓷及PLZT雙晶片的光生電壓和光致形變?yōu)榭刂茖ο?，開展了控制策略的原理性實驗研究。構建了0-1極化PLZT陶瓷光致形變的ON-OFF控制理論模型并通過靜態(tài)實驗進行了相應的參數(shù)識別，在此基礎上，對0-1極化PLZT陶瓷光致形變進行了O