多(duo)層(ceng)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)變壓(ya)器的(de)振動與疲勞

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多層(ceng)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)變壓(ya)器的(de)振動與疲勞

推(tui)薦使(shi)用(yong):GDPT-900A型(xing)變溫(wen)壓(ya)電(dian)測試(shi)系統(tong)，ZJ-3型靜(jing)壓(ya)電(dian)測試(shi)系統(tong)

壓(ya)電(dian)變壓(ya)器最(zui)早(zao)於1956年由C．A．Rosen提(ti)出。20世(shi)紀80年(nian)代初(chu)，清(qing)華大學(xue)提(ti)出了多(duo)層(ceng)獨(du)石化(hua)壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的(de)創(chuang)意及(ji)概(gai)念(nian)，並在國際上(shang)最(zui)早(zao)開展了多層(ceng)壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的(de)研究。由(you)於壓(ya)電(dian)變壓(ya)器升(sheng)壓(ya)比高(gao)、電(dian)磁幹擾小、轉換效率(lv)高、體(ti)積(ji)小、質量輕(qing)、輸出波形(xing)好(hao)等優點(dian)，近年來在(zai)液(ye)晶(jing)顯示器背光(guang)電(dian)源、高壓(ya)臭氧(yang)發(fa)生(sheng)器(qi)、空氣清(qing)新(xin)器(qi)、雷(lei)達(da)等領(ling)域中獲得了(le)應(ying)用。

壓(ya)電(dian)變壓(ya)器是電(dian)場與振動場間(jian)相(xiang)互(hu)耦(ou)合的諧(xie)振器件，在諧(xie)振狀態下(xia)，器(qi)件會因負載、使用環(huan)境(jing)、輸入電(dian)壓(ya)、材(cai)料(liao)等(deng)因(yin)素，產(chan)生(sheng)發(fa)熱、疲勞甚(shen)至斷裂(lie)等問(wen)題。有關壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)疲勞的(de)研究較多(duo)，學(xue)者(zhe)提(ti)出了壹(yi)些(xie)疲勞機(ji)理(li)，目前(qian)廣(guang)為大家接(jie)受的(de)解(jie)釋主(zhu)要(yao)有(you)疇夾持模(mo)型、電(dian)極連(lian)接(jie)不(bu)合適以(yi)及(ji)內(nei)應(ying)力集(ji)中。Zuo等人認(ren)為，在電(dian)場的作(zuo)用(yong)下(xia)，由(you)熱應力(li)引起的(de)微(wei)裂(lie)紋將成(cheng)為裂(lie)紋擴展的根(gen)源。Ru等人(ren)的(de)研究表(biao)明(ming)，多(duo)層(ceng)陶(tao)瓷(ci)器(qi)件失(shi)效的(de)主(zhu)要(yao)機(ji)制是電(dian)極與(yu)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)之(zhi)間(jian)的界(jie)面(mian)開裂(lie)以及(ji)電(dian)部的(de)界(jie)面(mian)開裂(lie)。Gong等人(ren)通過非(fei)線(xian)性(xing)有限元(yuan)法(fa)模(mo)擬(ni)了多(duo)層(ceng)壓(ya)電(dian)器件中內電(dian)極周(zhou)圍的電(dian)場分布(bu)，並發現(xian)在(zai)內電(dian)部邊緣的(de)電(dian)場分布(bu)非(fei)常(chang)不(bu)均(jun)勻(yun)，因(yin)此(ci)電(dian)極周(zhou)圍的陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)因(yin)鐵電(dian)轉變或電(dian)致伸縮(suo)而產(chan)生(sheng)不(bu)協(xie)調(tiao)變形(xing)，形(xing)成(cheng)裂(lie)紋。為下(xia)壹(yi)步(bu)深(shen)入(ru)研究壓(ya)電(dian)變壓(ya)器微(wei)裂(lie)紋的形(xing)成及(ji)擴(kuo)散機(ji)理(li)，本(ben)實驗(yan)研究了(le)壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的(de)微(wei)振動及(ji)疲勞行(xing)為。采用激光(guang)掃描測(ce)振儀以(yi)及(ji) 疲勞加載(zai)實驗(yan)測試壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的(de)特(te)性(xing)變化(hua)。

1 壓(ya)電(dian)變壓(ya)器機(ji)理(li)及(ji)結構

通過摻雜(za)CdCO、SrCO₃、ZnO或Li2CO₃獲得(de)壓(ya)電(dian)變壓(ya)器所(suo)用(yong)高(gao)性能低燒(shao)兼優的Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃．Pb(Ni₁/₃Nb₂/₃)O₃壹(yi)Pb(ZrTi)O₃壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)。多(duo)層(ceng)壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的(de)結構如圖1所(suo)示。器件內部有19層(ceng)陶(tao)瓷(ci)介質，外形(xing)尺寸(cun)約30 mm8 mmx3 mm。輸(shu)入電(dian)極在(zai)器(qi)件的中部，輸出電(dian)極分布(bu)在(zai)器件的兩(liang)端。在(zai)交變輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)以及(ji)機(ji)電(dian)耦(ou)合系數(shu)k₃₁和k₃₃的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)，變壓(ya)器沿長(chang)度(du)方向發(fa)生(sheng)諧(xie)振。對於半波諧(xie)振，有壹條節線(xian)出現(xian)在(zai)器件的中心位置，對稱的振動使變壓(ya)器在(zai)兩(liang)端產(chan)生(sheng)相(xiang)同(tong)的輸出電(dian)壓(ya)，即升(sheng)壓(ya)比相(xiang)同(tong)。

利用(yong)有(you)限(xian)元(yuan)分析軟(ruan)件，對多層(ceng)壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的(de)振動模(mo)態進(jin)行(xing)了(le)理(li)論(lun)計(ji)算與分析。分析采用(yong)的特(te)性(xing)參數(shu)見表(biao)1。有(you)限(xian)元(yuan)法(fa)獲得(de)變壓(ya)器半波諧(xie)振頻(pin)率(lv)約(yue)55 kHz，全(quan)
波諧(xie)振頻(pin)率(lv)約(yue)110 kHz。

2 諧(xie)振頻(pin)率(lv)的(de)測(ce)試
精確測定(ding)多(duo)層(ceng)壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的(de)諧(xie)振頻(pin)率(lv)主(zhu)要(yao)包(bao)括兩(liang)個(ge)方法(fa)：用Polytec OFV 056測(ce)振掃描探頭對樣品(pin)在(zai)壹定(ding)頻(pin)率(lv)範圍掃描，獲(huo)得樣品(pin)在(zai)激光(guang)入射(she)方向上(shang)樣品(pin)表(biao)面(mian)各(ge)點的振動速度(du)與(yu)位移(yi)；用(yong)信號發(fa)生(sheng)器(qi)與(yu)示波器配(pei)合，觀測(ce)輸(shu)出電(dian)壓(ya)，最(zui)終(zhong)測(ce)得(de)諧(xie)振頻(pin)率(lv)。

選(xuan)擇(ze)掃頻(pin)模(mo)式(FFT)鋇IJ試樣品(pin)表(biao)面(mian)的振動，得到(dao)振動速率(lv)對頻(pin)率(lv)的(de)曲(qu)線(xian)，如圖2所(suo)示。樣品(pin)在(zai)55．7 kHz出現(xian)了(le)明顯的(de)峰值，表明樣品(pin)在(zai)該頻(pin)率(lv)發(fa)生(sheng)諧(xie)振，結合有限(xian)元(yuan)分析結果，可以確定(ding)在(zai)55．7 kHz頻(pin)率(lv)處於半波諧(xie)振模(mo)態。

根(gen)據諧(xie)振原理(li)，當壓(ya)電(dian)變壓(ya)器處於諧(xie)振時，其振動尤(you)為強烈，升(sheng)壓(ya)比達(da)到局(ju)部極大值。因此，控制輸(shu)入(ru)信號的(de)波形(xing)和電(dian)壓(ya)幅值不(bu)變，改(gai)變輸(shu)入(ru)信號的(de)頻(pin)率(lv)，通過觀(guan)察(cha)輸(shu)出電(dian)壓(ya)幅值的變化(hua)，可以更(geng)精確地(di)測定(ding)樣品(pin)的(de)諧(xie)振頻(pin)率(lv)。實驗(yan)裝置見(jian)圖(tu)3。其中，信號發(fa)生(sheng)器(qi)為DF1692型多功能任(ren)意波形(xing)發生(sheng)器(qi)，變壓(ya)器專用功率放大器為KH-1A型寬(kuan)帶(dai)功率放大器，示波器為TDS5054數字熒光(guang)顯示示波器，R1代表(biao)94 kΩ的(de)水泥(ni)電(dian)阻負載，R代表4 kΩ的(de)串聯小電(dian)阻。

信號發(fa)生(sheng)器(qi)輸(shu)出正(zheng)弦波(bo)形，實際輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)峰峰值約10 V。在粗測(ce)諧(xie)振頻(pin)率(lv)55 kHz附(fu)近微調(tiao)頻(pin)率(lv)，測(ce)量串聯小電(dian)阻兩(liang)端的(de)輸出電(dian)壓(ya)，如圖4。輸(shu)出電(dian)壓(ya)的極大值出現(xian)在(zai)54．8 kHz處，此為樣品(pin)的(de)實際諧(xie)振頻(pin)率(lv)。

3 疲勞加載(zai)實驗(yan)

疲勞加載(zai)實驗(yan)條件：輸入信號的(de)波形(xing)為正(zheng)弦波(bo)，頻(pin)率(lv)為半波諧(xie)振頻(pin)率(lv)54．8 kHz，電(dian)壓(ya)峰峰值為30 V(實際工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)在12 V以(yi)下(xia))。輸(shu)出負載為94 kΩ無感電(dian)阻。設(she)置(zhi)循環(huan)加載(zai)次數為10⁹次，即連續(xu)振動約5 h。

3.1 諧(xie)振頻(pin)率(lv)的(de)漂(piao)移(yi)

由於疲勞加載(zai)可能會導致諧(xie)振頻(pin)率(lv)的(de)改(gai)變，因(yin)此(ci)在(zai)各(ge)項對比分析之(zhi)前(qian)，首(shou)先需要(yao)重新(xin)精(jing)確測定(ding)變壓(ya)器樣品(pin)的(de)半波諧(xie)振頻(pin)率(lv)。用(yong)示波器觀察(cha)疲勞加載(zai)後(hou)變壓(ya)器樣品(pin)的(de)輸出電(dian)壓(ya)，確定(ding)疲勞後(hou)諧(xie)振頻(pin)率(lv)為55．6 kHz，與疲勞加載(zai)前(qian)的(de)諧(xie)振頻(pin)率(lv)54．8 kHz比(bi)，相(xiang)對漂(piao)移(yi)量約(yue)1.5％。
3.2 諧(xie)振模(mo)態振動的衰(shuai)退(tui)
使用激光(guang)測振儀，在(zai)定(ding)頻(pin)模(mo)式測得疲勞加載(zai)後(hou)變壓(ya)器樣品(pin)在(zai)壹個(ge)振動周(zhou)期裏(li)的圖(tu)像。圖(tu)5a中，各(ge)測量點(dian)的(de)振動相(xiang)位比較壹(yi)致，說明在(zai)疲勞加載(zai)前(qian)，變壓(ya)器樣品(pin)長(chang)度(du)方向上(shang)的(de)形變十(shi)分協調(tiao)：圖(tu)5b中，各(ge)測量點(dian)的(de)振動有些(xie)雜亂，這(zhe)說明在(zai)疲勞加載(zai)後(hou)樣品(pin)振動有些(xie)不(bu)穩(wen)定(ding)。從(cong)直(zhi)觀(guan)上(shang)可以判(pan)斷，疲勞加載(zai)使得(de)變壓(ya)器樣品(pin)的(de)振動表現(xian)有(you)所衰(shuai)退(tui)。定(ding)量分析上，圖(tu)5a中顯示輸出端端(duan)部(bu)的振動速率(lv)在(zai)300μm／s左右(you)，而圖5b中僅在(zai)100 μm／s左右(you)。由此表明(ming)，疲勞加載(zai)除了(le)使多(duo)層(ceng)壓(ya)電(dian) 變壓(ya)器的(de)形(xing)變與(yu)振動的協(xie)調(tiao)性(xing)變差外，還使得整(zheng)體(ti)的(de)振動速率(lv)下(xia)降(jiang)，振動幅度(du)變小。

輸入(ru)信號的(de)頻(pin)率(lv)固(gu)定(ding)在(zai)樣品(pin)的(de)半波諧(xie)振頻(pin)率(lv)54.8kHz處，改變輸(shu)入(ru)信號的(de)電(dian)壓(ya)幅值，測得輸入(ru)端(duan)端(duan)部振幅Ai對輸入信號電(dian)壓(ya)峰峰值VP-P的曲線(xian)，如圖6所(suo)示。在輸入電(dian)壓(ya)小於4 V時，變壓(ya)器輸(shu)入(ru)端(duan)振幅與(yu)輸入電(dian)壓(ya)呈(cheng)現(xian)線(xian)性(xing)關系；當(dang)電(dian)壓(ya)大於4V後(hou)，進(jin)入(ru)非(fei)線(xian)性(xing)區；大於10 V後(hou)，振幅逐(zhu)漸趨(qu)於飽和。

同(tong)時，疲勞後(hou)的(de)輸(shu)入端(duan)振幅平(ping)均比疲勞前(qian)減少(shao)超過10％，且(qie)疲勞後(hou)的(de)曲(qu)線(xian)不(bu)穩(wen)定(ding)。這(zhe)說明10⁹次的循環(huan)加載(zai)引起(qi)了變壓(ya)器樣品(pin)的(de)部分疲勞，樣品(pin)的(de)端部(bu)及(ji)整(zheng)體(ti)的(de)振動幅度(du)和速(su)率(lv)都減小了約10％。但(dan)輸入電(dian)壓(ya)小於4 V時，輸入端(duan)振幅與(yu)輸入電(dian)壓(ya)的線(xian)性(xing)關系較好(hao)。

3.3 疲勞加載(zai)前(qian)後(hou)輸(shu)入(ru)輸出特(te)性(xing)的(de)對比

由於負載對輸入輸出特(te)性(xing)的(de)顯著影響(xiang)，測試(shi)需要(yao)在(zai)不(bu)同(tong)的負載電(dian)阻下(xia)重復(fu)數(shu)次，結果見圖(tu)7。當輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)峰峰值小於20 V時，在4個(ge)負載阻值下(xia)，輸(shu)出電(dian)壓(ya)與輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)都保持了(le)較好(hao)的線(xian)性(xing)關系。當(dang)負載的阻值小於110 kΩ時，在10 v至U60 V的整(zheng)個(ge)電(dian)壓(ya)峰峰值的範圍內，輸出電(dian)壓(ya)都隨(sui)輸入電(dian)壓(ya)的增(zeng)加而線(xian)性(xing)增加；當(dang)負載電(dian)阻大於160kΩ時，輸出電(dian)壓(ya)在輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)峰峰值大於20 v起逐漸顯示出非線(xian)性(xing)。

根(gen)據圖7中負載電(dian)阻87 kΩ對應的兩(liang)條曲線(xian)，可知疲勞加載(zai)後(hou)的(de)曲(qu)線(xian)絕大部分低於疲勞加載(zai)前(qian)的(de)，即在10～60 V的(de)輸(shu)入電(dian)壓(ya)峰峰值範圍內，疲勞加載(zai)後(hou)變壓(ya)器樣品(pin)的(de)升(sheng)壓(ya)比總(zong)體(ti)來(lai)看是降(jiang)低(di)了(le)，約是疲勞前(qian)的(de)85％左右(you)，這(zhe)與(yu)輸(shu)入(ru)端(duan)端(duan)面(mian)振動幅度(du)的(de)減小比率也比(bi)較符(fu)合。

4結論(lun)

1)有限(xian)元(yuan)法(fa)獲得(de)變壓(ya)器半波諧(xie)振頻(pin)率(lv)約(yue)55 kHz，全(quan)波諧(xie)振頻(pin)率(lv)約(yue)110 kHz。
2)激光(guang)測振儀測(ce)得壓(ya)電(dian)變壓(ya)器半波諧(xie)振頻(pin)率(lv)為55．7kHz；信號發(fa)生(sheng)器(qi)與(yu)示波器配(pei)合，根(gen)據輸出顯示，測得壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的(de)諧(xie)振頻(pin)率(lv)為54．8 kHz。實驗(yan)結果與有(you)限元(yuan)計(ji)算基本(ben)壹(yi)致。
3)疲勞加載(zai)除了(le)使多(duo)層(ceng)壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的(de)形(xing)變與(yu)振動的協(xie)調(tiao)性(xing)變差外，還使得整(zheng)體(ti)的(de)振動速率(lv)下(xia)降(jiang)，振動幅度(du)變小，升(sheng)壓(ya)比降(jiang)低(di)，約(yue)是疲勞前(qian)的(de)85％左右(you) 。

我們(men)專業提(ti)供功能材(cai)料(liao)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)及(ji)測(ce)試(shi)服務：

壹、壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)測(ce)試(shi)裝置：ZJ-3型精密(mi)D33測(ce)試儀，ZJ-4型(xing)寬(kuan)量程精(jing)密(mi)D33測試(shi)儀，ZJ-5型(xing)疊層(ceng)壓(ya)電(dian)測試(shi)儀，ZJ-6型(xing)多功能參數(shu)壓(ya)電(dian)測試(shi)儀,GDPT-900A型(xing)高溫壓(ya)電(dian)測試(shi)系統(tong),JKZC-YDZK03A型高精(jing)度(du)壓(ya)電(dian)阻抗(kang)分析儀，YDH-1型(xing)壓(ya)電(dian)電(dian)荷測(ce)試(shi)儀，YDB-03型(xing)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)表(biao)面(mian)電(dian)壓(ya)測試(shi)儀

二(er)、壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)制樣設(she)備(bei)：PZT-JH10/4型壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)極化(hua)裝(zhuang)置(zhi)，PZT-JH20/1型(xing)粉(fen)末極化(hua)裝(zhuang)置(zhi)，PZT-JH30/3型(xing)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)及(ji)薄膜(mo)綜合極化(hua)裝(zhuang)置(zhi)，ZJ-D33-YP15型(xing)壓(ya)片機(ji)

三(san)、介電(dian)材(cai)料(liao)測(ce)試(shi)裝置：GWJDN-600型四通道高溫介電(dian)測試(shi)儀，GWJDN-1000型(xing)四通道高溫介電(dian)測試(shi)儀

四：鐵電(dian)材(cai)料(liao)測(ce)測(ce)試儀：ZT-4A鐵電(dian)測試(shi)儀 ,FE-5000型(xing)變溫(wen)鐵電(dian)測試(shi)系統(tong)，ECM -150型電(dian)卡效應(ying)測試(shi)系，DCD-100型(xing)儲(chu)能電(dian)介質充(chong)放電(dian)測試(shi)系統(tong)，

五(wu)、BKTEM-Dx熱電(dian)材(cai)料(liao)性(xing)能測試儀

高(gao)溫(wen)功能材(cai)料(liao)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)：

GDPT-900A型(xing)高(gao)溫(wen)D33測試系統(tong)，GWJDN-1000型四通道高低溫(wen)介電(dian)測試(shi)儀，HTRT-1000型(xing)導電(dian)材(cai)料(liao)高(gao)溫(wen)電(dian)阻率(lv)測(ce)試(shi)儀，JGWDZ-1000型(xing)金屬高(gao)溫電(dian)阻測(ce)量系統(tong)，BWGP-2000型變溫(wen)光(guang)譜測(ce)試系統(tong)（高低溫(wen)光(guang)譜系統(tong)），FSR-600材(cai)料(liao)高(gao)溫(wen)雙(shuang)波(bo)段發射率(lv)測(ce)量系統(tong)，TSDC/TSC--400型熱激勵去(qu)極化(hua)電(dian)流測(ce)量系統(tong)，GWTF-300高溫鐵電(dian)材(cai)料(liao)測(ce)量系統(tong) ，HTGSRM-1000型高溫(wen)氣敏(min)材(cai)料(liao)測(ce)量系統(tong)，PTC/NTC-500高溫熱敏(min)電(dian)阻材(cai)料(liao)參數(shu)測量分析系統(tong)，HTRS-1000型高溫(wen)半導體(ti)材(cai)料(liao)電(dian)阻率(lv)測(ce)試(shi)儀，PRPM-1000熱釋電(dian)系數(shu)高溫測(ce)試(shi)系統(tong)，HTRC-600型高溫(wen)導(dao)電(dian)材(cai)料(liao)電(dian)阻率(lv)測(ce)試(shi)系統(tong)，

上(shang)壹(yi)篇(pian)：我們(men)所(suo)知道的ZJ-3型壓(ya)電(dian)測試(shi)儀原理(li)及(ji)材(cai)料(liao)參數(shu)及(ji)壓(ya)電(dian)方程式
下(xia)壹(yi)篇(pian)：壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)是受(shou)到壓(ya)力作(zuo)用(yong)時(shi)會在兩(liang)端面(mian)間(jian)出現(xian)電(dian)壓(ya)的晶(jing)體(ti)材(cai)料(liao)