基于多次壓電效應(yīng)的執(zhí)行器研究.pdf

1、基于壓電效應(yīng)的傳感器與執(zhí)行器以其優(yōu)越的性能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)中發(fā)揮著獨(dú)特作用，現(xiàn)代精密測(cè)試與驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展迫切需要深化與擴(kuò)展壓電理論，對(duì)多次壓電效應(yīng)的理論與應(yīng)用研究勢(shì)在必行。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(50675026)的資助下，運(yùn)用壓電學(xué)、晶體物理學(xué)、電介質(zhì)物理學(xué)、各向異性彈性力學(xué)等交叉學(xué)科的理論，對(duì)壓電晶體多次壓電效應(yīng)進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究，研制出基于多次壓電效應(yīng)的微執(zhí)行器和自感知執(zhí)行器。本文具體工作如下：
　　 基于經(jīng)典壓電理

2、論研究了壓電晶體的縱向三次耦合效應(yīng)，提出壓電晶體三次正、逆壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究方法。從四類(lèi)壓電方程出發(fā)，推導(dǎo)出壓電體分別在外應(yīng)力和外電場(chǎng)作用下的多次壓電效應(yīng)的通用數(shù)學(xué)模型。通過(guò)與改變PZT-5疊堆邊界條件等效的實(shí)驗(yàn)方法得到了縱向三次耦合效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)表明三次正、逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果與壓電疊堆所施外場(chǎng)具有良好的線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅驗(yàn)證了多次壓電效應(yīng)理論的正確性，而且證明了所提出的實(shí)驗(yàn)方法的科學(xué)性和可行性。同時(shí)，采用兩片由壓電系數(shù)dll轉(zhuǎn)換的x

3、y切型石英晶片制成壓電石英晶組，研究了工程實(shí)際中廣泛應(yīng)用的壓電石英三次壓電效應(yīng)，通過(guò)與壓電石英晶組并聯(lián)遠(yuǎn)大于其等效電容量的電容，消除了壓電石英中的多次壓電效應(yīng)，從而量化壓電石英晶體的縱向三次壓電效應(yīng)，并得到了多次壓電效應(yīng)對(duì)石英傳感器靜態(tài)靈敏度的影響結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明壓電傳感器的靜態(tài)靈敏度提高了1.75％。分析了多次壓電效應(yīng)對(duì)壓電石英力傳感器剛度、固有頻率和機(jī)電耦合系數(shù)的影響。
　　 研制開(kāi)發(fā)出基于壓電陶瓷疊堆多次壓電效應(yīng)的微執(zhí)行器。

4、研究了基于多次壓電效應(yīng)微執(zhí)行器的原理，并驗(yàn)證了其可行性。通過(guò)選擇微執(zhí)行器的核心元件，確定其結(jié)構(gòu)形式和預(yù)緊方式，從而建立了微執(zhí)行器的力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了微執(zhí)行器的執(zhí)行板和殼體，得到各部件的尺寸參數(shù)，并通過(guò)有限元分析進(jìn)一步驗(yàn)證了微執(zhí)行器的各部件參數(shù)選擇的合理性，最后研制出基于多次壓電效應(yīng)的微執(zhí)行器。對(duì)微執(zhí)行器進(jìn)行了性能檢定，靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果表明微執(zhí)行器的外載荷與其輸出電壓、彈性位移以及二次逆壓電位移均具有良好的線性關(guān)系。在動(dòng)態(tài)標(biāo)定中得到微執(zhí)行器的固

5、有頻率為4.433 KHz。該微執(zhí)行器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)彈性位移和二次逆壓電位移的兩次定位，而且可通過(guò)微執(zhí)行器的一次正壓電效應(yīng)進(jìn)行外載荷的校驗(yàn)。
　　 基于多次壓電效應(yīng)理論進(jìn)行了壓電執(zhí)行器位移自感知的研究，提出基于多次壓電效應(yīng)自感知執(zhí)行器的解耦方法。通過(guò)引入?yún)⒖茧娙?，采取電流積分與差分比例運(yùn)算電路相結(jié)合的方式進(jìn)行PZT-5疊堆執(zhí)行器的位移自感知實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明壓電執(zhí)行器本身產(chǎn)生的多次正壓電效應(yīng)可以反映其輸出位移信息，同時(shí)證明了解耦方法的