ZJ-5型(xing)多層壓(ya)電測(ce)試(shi)儀(yi)用於多層壓(ya)電陶瓷變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)振(zhen)動(dong)與(yu)疲(pi)勞

ZJ-5型多層壓(ya)電測(ce)試(shi)儀(yi) --多層壓(ya)電陶瓷變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)振(zhen)動(dong)與(yu)疲(pi)勞

推薦(jian)使(shi)用:GDPT-900A型變(bian)溫(wen)壓(ya)電測(ce)試(shi)系(xi)統，ZJ-3型靜(jing)壓(ya)電測(ce)試(shi)系(xi)統 

壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)最早(zao)於1956年由(you)C．A．Rosen提出(chu)。20世(shi)紀(ji)80年(nian)代(dai)初，清(qing)華(hua)大學(xue)提出(chu)了多層獨石(shi)化壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)創意及(ji)概(gai)念(nian)，並在(zai)國(guo)際上(shang)最早(zao)開展(zhan)了多層壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)研(yan)究。由(you)於壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)升壓(ya)比(bi)高(gao)、電(dian)磁(ci)幹(gan)擾小、轉(zhuan)換效(xiao)率高(gao)、體(ti)積(ji)小、質量(liang)輕(qing)、輸出波形好(hao)等(deng)優(you)點，近(jin)年(nian)來(lai)在液(ye)晶(jing)顯(xian)示器(qi)背(bei)光(guang)電源(yuan)、高(gao)壓(ya)臭(chou)氧(yang)發生(sheng)器(qi)、空(kong)氣(qi)清(qing)新器(qi)、雷(lei)達(da)等(deng)領(ling)域(yu)中(zhong)獲(huo)得(de)了應(ying)用。

   壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)是(shi)電(dian)場與(yu)振動場間(jian)相(xiang)互耦合的諧(xie)振(zhen)器(qi)件(jian)，在(zai)諧振(zhen)狀態下(xia)，器(qi)件(jian)會(hui)因負(fu)載、使(shi)用環境(jing)、輸入(ru)電(dian)壓(ya)、材料(liao)等(deng)因素，產(chan)生(sheng)發熱(re)、疲(pi)勞甚(shen)至斷裂(lie)等(deng)問題。有(you)關(guan)壓(ya)電陶瓷材料(liao)疲(pi)勞的(de)研(yan)究較(jiao)多，學(xue)者提(ti)出了壹些(xie)疲(pi)勞機(ji)理，目前廣為(wei)大家接(jie)受(shou)的解(jie)釋(shi)主(zhu)要(yao)有疇(chou)夾持(chi)模型、電(dian)極(ji)連(lian)接(jie)不(bu)合適以及(ji)內(nei)應(ying)力(li)集中。Zuo等(deng)人(ren)認為(wei)，在(zai)電(dian)場的(de)作(zuo)用下(xia)，由(you)熱應(ying)力(li)引起的微裂(lie)紋將成為裂(lie)紋擴(kuo)展(zhan)的(de)根(gen)源(yuan)。Ru等(deng)人(ren)的研(yan)究表(biao)明，多層陶瓷器(qi)件(jian)失(shi)效(xiao)的主(zhu)要(yao)機制(zhi)是(shi)電(dian)極(ji)與(yu)陶瓷材料(liao)之間(jian)的界面開裂(lie)以及(ji)電(dian)部(bu)的(de)界(jie)面(mian)開裂(lie)。Gong等(deng)人(ren)通過非(fei)線性(xing)有(you)限元法(fa)模擬了多層壓(ya)電器(qi)件(jian)中(zhong)內(nei)電極(ji)周圍(wei)的(de)電場分布(bu)，並(bing)發現在(zai)內(nei)電部(bu)邊(bian)緣的電(dian)場分布(bu)非(fei)常(chang)不(bu)均(jun)勻，因此(ci)電極(ji)周圍(wei)的(de)陶瓷材料(liao)因鐵(tie)電(dian)轉(zhuan)變(bian)或電致(zhi)伸(shen)縮而(er)產(chan)生(sheng)不(bu)協(xie)調變(bian)形，形成裂紋(wen)。為下(xia)壹步(bu)深(shen)入(ru)研(yan)究壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)微(wei)裂(lie)紋(wen)的形成及(ji)擴(kuo)散(san)機(ji)理，本(ben)實驗(yan)研(yan)究了壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)微(wei)振(zhen)動及(ji)疲(pi)勞行(xing)為。采用激光(guang)掃(sao)描(miao)測(ce)振(zhen)儀(yi)以及(ji)   疲(pi)勞加(jia)載實驗(yan)測(ce)試(shi)壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)特(te)性(xing)變(bian)化。  

    1  壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)機(ji)理及(ji)結(jie)構

     通過(guo)摻(chan)雜CdCO、SrCO₃、ZnO或(huo)Li2CO₃獲(huo)得(de)壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)所(suo)用高性能低(di)燒兼優(you)的Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃．Pb(Ni₁/₃Nb₂/₃)O₃壹Pb(ZrTi)O₃壓(ya)電材料(liao)。多層壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)結(jie)構如圖1所示。器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)有(you)19層陶瓷介(jie)質，外形尺(chi)寸(cun)約(yue)30 mm8 mmx3 mm。輸入(ru)電(dian)極(ji)在(zai)器(qi)件(jian)的(de)中部(bu)，輸(shu)出(chu)電(dian)極(ji)分布(bu)在(zai)器(qi)件(jian)的(de)兩端。在(zai)交(jiao)變(bian)輸入(ru)電(dian)壓(ya)以及(ji)機(ji)電(dian)耦合系(xi)數(shu)k₃₁和(he)k₃₃的作用下(xia)，變(bian)壓(ya)器(qi)沿(yan)長度方向(xiang)發生(sheng)諧(xie)振(zhen)。對(dui)於半波諧振(zhen)，有壹條(tiao)節線出(chu)現在(zai)器(qi)件(jian)的(de)中心位(wei)置(zhi)，對(dui)稱的振(zhen)動使(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)在(zai)兩(liang)端產(chan)生(sheng)相(xiang)同(tong)的(de)輸出(chu)電(dian)壓(ya)，即(ji)升壓(ya)比(bi)相(xiang)同(tong)。  

    信號(hao)發生(sheng)器(qi)輸(shu)出(chu)正弦波形，實(shi)際輸入(ru)電(dian)壓(ya)峰峰值約(yue)10 V。在粗(cu)測(ce)諧(xie)振(zhen)頻率55 kHz附(fu)近(jin)微(wei)調頻率，測(ce)量(liang)串聯(lian)小電(dian)阻(zu)兩(liang)端的(de)輸(shu)出(chu)電壓(ya)，如圖4。輸出電(dian)壓(ya)的極(ji)大值出(chu)現在(zai)54．8 kHz處，此(ci)為樣(yang)品(pin)的(de)實(shi)際諧振(zhen)頻率。

   3   疲(pi)勞加(jia)載實驗(yan) 

   疲(pi)勞加(jia)載實驗(yan)條件(jian)：輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)波形為(wei)正弦波，頻率為(wei)半波諧振(zhen)頻率54．8 kHz，電(dian)壓(ya)峰峰值為(wei)30 V(實(shi)際工(gong)作(zuo)電壓(ya)在12 V以下(xia))。輸(shu)出負(fu)載為94 kΩ無感電阻(zu)。設(she)置(zhi)循環加載次數(shu)為(wei)10⁹次，即(ji)連(lian)續振(zhen)動(dong)約(yue)5 h。

    由(you)於疲(pi)勞加(jia)載可能會(hui)導致(zhi)諧(xie)振(zhen)頻率的(de)改變(bian)，因此(ci)在各(ge)項對(dui)比(bi)分析之前，首先需要(yao)重新精確測(ce)定(ding)變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品(pin)的(de)半波諧振(zhen)頻率。用示波器(qi)觀(guan)察(cha)疲(pi)勞加(jia)載後(hou)變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品(pin)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，確定(ding)疲(pi)勞後(hou)諧(xie)振頻率為(wei)55．6 kHz，與(yu)疲(pi)勞加(jia)載前的諧(xie)振(zhen)頻率54．8 kHz比(bi)，相(xiang)對(dui)漂移量(liang)約(yue)1.5％。
    3.2   諧振(zhen)模態振動(dong)的衰退
   使(shi)用激光(guang)測(ce)振(zhen)儀(yi)，在定(ding)頻模式(shi)測(ce)得(de)疲(pi)勞加(jia)載後(hou)變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品(pin)在(zai)壹個(ge)振(zhen)動周期裏(li)的(de)圖像。圖5a中，各(ge)測(ce)量(liang)點的振(zhen)動(dong)相位(wei)比(bi)較(jiao)壹致(zhi)，說(shuo)明(ming)在疲(pi)勞加(jia)載前，變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品(pin)長度方向(xiang)上(shang)的(de)形變(bian)十分協(xie)調：圖5b中，各(ge)測(ce)量(liang)點的振(zhen)動(dong)有些雜亂，這說明在(zai)疲(pi)勞加(jia)載後(hou)樣(yang)品(pin)振(zhen)動(dong)有(you)些(xie)不(bu)穩(wen)定。從直(zhi)觀(guan)上(shang)可以判(pan)斷，疲(pi)勞加(jia)載使(shi)得(de)變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品(pin)的(de)振(zhen)動(dong)表(biao)現有(you)所(suo)衰退。定(ding)量(liang)分析上(shang)，圖5a中顯示輸出(chu)端端部(bu)的(de)振(zhen)動(dong)速率(lv)在(zai)300μm／s左右(you)，而(er)圖5b中僅在100 μm／s左右(you)。由(you)此(ci)表明(ming)，疲(pi)勞加(jia)載除了使(shi)多層壓(ya)電  變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)形(xing)變(bian)與(yu)振動的協(xie)調性(xing)變(bian)差外，還使(shi)得(de)整(zheng)體(ti)的(de)振動(dong)速率(lv)下(xia)降(jiang)，振動幅度(du)變(bian)小。

   輸入(ru)信(xin)號(hao)的(de)頻率固(gu)定在(zai)樣(yang)品(pin)的(de)半波諧振(zhen)頻率54.8kHz處，改(gai)變(bian)輸入(ru)信(xin)號(hao)的(de)電(dian)壓(ya)幅值，測(ce)得(de)輸(shu)入(ru)端端部(bu)振(zhen)幅(fu)Ai對(dui)輸入(ru)信(xin)號(hao)電(dian)壓(ya)峰峰值VP-P的(de)曲(qu)線，如圖6所示。在輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)小於(yu)4 V時(shi)，變(bian)壓(ya)器(qi)輸(shu)入(ru)端振(zhen)幅(fu)與(yu)輸入(ru)電(dian)壓(ya)呈現線性(xing)關(guan)系(xi)；當(dang)電壓(ya)大於4V後(hou)，進入(ru)非(fei)線性(xing)區(qu)；大於10 V後(hou)，振(zhen)幅逐(zhu)漸趨(qu)於飽(bao)和(he)。

     1)有限(xian)元(yuan)法(fa)獲(huo)得(de)變(bian)壓(ya)器(qi)半波諧振(zhen)頻率約(yue)55 kHz，全(quan)波諧振(zhen)頻率約(yue)110 kHz。
     2)激光(guang)測(ce)振(zhen)儀(yi)測(ce)得(de)壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)半波諧振(zhen)頻率為(wei)55．7kHz；信號(hao)發生(sheng)器(qi)與(yu)示波器(qi)配(pei)合，根(gen)據(ju)輸(shu)出(chu)顯示，測(ce)得(de)壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)諧(xie)振(zhen)頻率為(wei)54．8 kHz。實驗(yan)結(jie)果與(yu)有限元計算基本(ben)壹致(zhi)。
     3)疲(pi)勞加(jia)載除了使(shi)多層壓(ya)電變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)形(xing)變(bian)與(yu)振動的協(xie)調性(xing)變(bian)差外，還使(shi)得(de)整(zheng)體(ti)的(de)振動(dong)速率(lv)下(xia)降(jiang)，振動幅度(du)變(bian)小，升壓(ya)比(bi)降(jiang)低(di)，約(yue)是(shi)疲(pi)勞前的85％左右(you) 。