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多(duō)層壓電陶瓷變壓器的(de)振動與疲勞

更新時(shí)間:2022-10-18  |  點擊率:656

 

多(duō)層壓電陶瓷變壓器的(de)振動與疲勞

   

多(duō)層壓電陶瓷變壓器的(de)振動與疲勞

推薦使用(yòng):GDPT-900A型變溫壓電測試系統,ZJ-3型靜壓電測試系統 

 

 

壓電變壓器最早于1956年由C.A.Rosen提出。20世紀80年代初,清華大(dà)學提出了(le)多(duō)層獨石化(huà)壓電變壓器的(de)創意及概念,并在國際上最早開展了(le)多(duō)層壓電變壓器的(de)研究。由于壓電變壓器升壓比高(gāo)、電磁幹擾小、轉換效率高(gāo)、體積小、質量輕、輸出波形好等優點,近年來(lái)在液晶顯示器背光(guāng)電源、高(gāo)壓臭氧發生器、空氣清新器、雷達等領域中獲得(de)了(le)應用(yòng)。

   壓電變壓器是電場(chǎng)與振動場(chǎng)間相互耦合的(de)諧振器件,在諧振狀态下(xià),器件會因負載、使用(yòng)環境、輸入電壓、材料等因素,産生發熱(rè)、疲勞甚至斷裂等問題。有關壓電陶瓷材料疲勞的(de)研究較多(duō),學者提出了(le)一些疲勞機理(lǐ),目前廣爲大(dà)家接受的(de)解釋主要有疇夾持模型、電極連接不合适以及内應力集中。Zuo等人(rén)認爲,在電場(chǎng)的(de)作用(yòng)下(xià),由熱(rè)應力引起的(de)微裂紋将成爲裂紋擴展的(de)根源。Ru等人(rén)的(de)研究表明(míng),多(duō)層陶瓷器件失效的(de)主要機制是電極與陶瓷材料之間的(de)界面開裂以及電部的(de)界面開裂。Gong等人(rén)通(tōng)過非線性有限元法模拟了(le)多(duō)層壓電器件中内電極周圍的(de)電場(chǎng)分(fēn)布,并發現在内電部邊緣的(de)電場(chǎng)分(fēn)布非常不均勻,因此電極周圍的(de)陶瓷材料因鐵電轉變或電緻伸縮而産生不協調變形,形成裂紋。爲下(xià)一步深入研究壓電變壓器微裂紋的(de)形成及擴散機理(lǐ),本實驗研究了(le)壓電變壓器的(de)微振動及疲勞行爲。采用(yòng)激光(guāng)掃描測振儀以及   疲勞加載實驗測試壓電變壓器的(de)特性變化(huà)。  

    1  壓電變壓器機理(lǐ)及結構

     通(tōng)過摻雜(zá)CdCO、SrCO₃、ZnO或Li2CO₃獲得(de)壓電變壓器所用(yòng)高(gāo)性能低燒兼優的(de)Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃.Pb(Ni₁/₃Nb₂/₃)O₃一Pb(ZrTi)O₃壓電材料。多(duō)層壓電變壓器的(de)結構如圖1所示。器件内部有19層陶瓷介質,外形尺寸約30 mm8 mmx3 mm。輸入電極在器件的(de)中部,輸出電極分(fēn)布在器件的(de)兩端。在交變輸入電壓以及機電耦合系數k₃₁和(hé)k₃₃的(de)作用(yòng)下(xià),變壓器沿長(cháng)度方向發生諧振。對(duì)于半波諧振,有一條節線出現在器件的(de)中心位置,對(duì)稱的(de)振動使變壓器在兩端産生相同的(de)輸出電壓,即升壓比相同。  

    利用(yòng)有限元分(fēn)析軟件,對(duì)多(duō)層壓電變壓器的(de)振動模态進行了(le)理(lǐ)論計算(suàn)與分(fēn)析。分(fēn)析采用(yòng)的(de)特性參數見表1。有限元法獲得(de)變壓器半波諧振頻(pín)率約55 kHz,全
波諧振頻(pín)率約110 
kHz。  
 
    2 諧振頻(pín)率的(de)測試
     精确測定多(duō)層壓電變壓器的(de)諧振頻(pín)率主要包括兩個(gè)方法:用(yòng)Polytec OFV 056測振掃描探頭對(duì)樣品在一定頻(pín)率範圍掃描,獲得(de)樣品在激光(guāng)入射方向上樣品表面各點的(de)振動速度與位移;用(yòng)信号發生器與示波器配合,觀測輸出電壓,最終測得(de)諧振頻(pín)率。
    選擇掃頻(pín)模式(FFT)鋇IJ試樣品表面的(de)振動,得(de)到振動速率對(duì)頻(pín)率的(de)曲線,如圖2所示。樣品在55.7 kHz出現了(le)明(míng)顯的(de)峰值,表明(míng)樣品在該頻(pín)率發生諧振,結合有限元分(fēn)析結果,可(kě)以确定在55.7 kHz頻(pín)率處于半波諧振模态。
 
     根據諧振原理(lǐ),當壓電變壓器處于諧振時(shí),其振動尤爲強烈,升壓比達到局部極大(dà)值。因此,控制輸入信号的(de)波形和(hé)電壓幅值不變,改變輸入信号的(de)頻(pín)率,通(tōng)過觀察輸出電壓幅值的(de)變化(huà),可(kě)以更精确地測定樣品的(de)諧振頻(pín)率。實驗裝置見圖3。其中,信号發生器爲DF1692型多(duō)功能任意波形發生器,變壓器專用(yòng)功率放大(dà)器爲KH-1A型寬帶功率放大(dà)器,示波器爲TDS5054數字熒光(guāng)顯示示波器,R1代表94 kΩ的(de)水(shuǐ)泥電阻負載,R代表4 kΩ的(de)串聯小電阻。

    信号發生器輸出正弦波形,實際輸入電壓峰峰值約10 V。在粗測諧振頻(pín)率55 kHz附近微調頻(pín)率,測量串聯小電阻兩端的(de)輸出電壓,如圖4。輸出電壓的(de)極大(dà)值出現在54.8 kHz處,此爲樣品的(de)實際振頻(pín)率。

   3   疲勞加載實驗 

   疲勞加載實驗條件:輸入信号的(de)波形爲正弦波,頻(pín)率爲半波諧振頻(pín)率54.8 kHz,電壓峰峰值爲30 V(實際工作電壓在12 V以下(xià))。輸出負載爲94 kΩ無感電阻。設置循環加載次數爲109次,即連續振動約5 h。

   3.1  諧振頻(pín)率的(de)漂移

    由于疲勞加載可(kě)能會導緻諧振頻(pín)率的(de)改變,因此在各項對(duì)比分(fēn)析之前,首先需要重新精确測定變壓器樣品的(de)半波諧振頻(pín)率。用(yòng)示波器觀察疲勞加載後變壓器樣品的(de)輸出電壓,确定疲勞後諧振頻(pín)率爲55.6 kHz,與疲勞加載前的(de)諧振頻(pín)率54.8 kHz比,相對(duì)漂移量約1.5%。
    3.2   諧振模态振動的(de)衰退
   使用(yòng)激光(guāng)測振儀,在定頻(pín)模式測得(de)疲勞加載後變壓器樣品在一個(gè)振動周期裏的(de)圖像。圖5a中,各測量點的(de)振動相位比較一緻,說明(míng)在疲勞加載前,變壓器樣品長(cháng)度方向上的(de)形變十分(fēn)協調:圖5b中,各測量點的(de)振動有些雜(zá)亂,這(zhè)說明(míng)在疲勞加載後樣品振動有些不穩定。從直觀上可(kě)以判斷,疲勞加載使得(de)變壓器樣品的(de)振動表現有所衰退。定量分(fēn)析上,圖5a中顯示輸出端端部的(de)振動速率在300μm/s左右,而圖5b中僅在100 μm/s左右。由此表明(míng),疲勞加載除了(le)使多(duō)層壓電  變壓器的(de)形變與振動的(de)協調性變差外,還(hái)使得(de)整體的(de)振動速率下(xià)降,振動幅度變小。

   輸入信号的(de)頻(pín)率固定在樣品的(de)半波諧振頻(pín)率54.8kHz處,改變輸入信号的(de)電壓幅值,測得(de)輸入端端部振幅Ai對(duì)輸入信号電壓峰峰值VP-P的(de)曲線,如圖6所示。在輸入電壓小于4 V時(shí),變壓器輸入端振幅與輸入電壓呈現線性關系;當電壓大(dà)于4V後,進入非線性區(qū);大(dà)于10 V後,振幅逐漸趨于飽和(hé)。

 
    同時(shí),疲勞後的(de)輸入端振幅平均比疲勞前減少超過10%,且疲勞後的(de)曲線不穩定。這(zhè)說明(míng)109次的(de)循環加載引起了(le)變壓器樣品的(de)部分(fēn)疲勞,樣品的(de)端部及整體的(de)振動幅度和(hé)速率都減小了(le)約10%。但輸入電壓小于4 V時(shí),輸入端振幅與輸入電壓的(de)線性關系較好。
    3.3  疲勞加載前後輸入輸出特性的(de)對(duì)比
    由于負載對(duì)輸入輸出特性的(de)顯著影(yǐng)響,測試需要在不同的(de)負載電阻下(xià)重複數次,結果見圖7。當輸入電壓峰峰值小于20 V時(shí),在4個(gè)負載阻值下(xià),輸出電壓與輸入電壓都保持了(le)較好的(de)線性關系。當負載的(de)阻值小于110 kΩ時(shí),在10 v至U60 V的(de)整個(gè)電壓峰峰值的(de)範圍内,輸出電壓都随輸入電壓的(de)增加而線性增加;當負載電阻大(dà)于160kΩ時(shí),輸出電壓在輸入電壓峰峰值大(dà)于20 v起逐漸顯示出非線性。
     根據圖7中負載電阻87 kΩ對(duì)應的(de)兩條曲線,可(kě)知疲勞加載後的(de)曲線絕大(dà)部分(fēn)低于疲勞加載前的(de),即在10~60 V的(de)輸入電壓峰峰值範圍内,疲勞加載後變壓器樣品的(de)升壓比總體來(lái)看是降低了(le),約是疲勞前的(de)85%左右,這(zhè)與輸入端端面振動幅度的(de)減小比率也(yě)比較符合。
      4結 論

     1)有限元法獲得(de)變壓器半波諧振頻(pín)率約55 kHz,全波諧振頻(pín)率約110 kHz。
     2)激光(guāng)測振儀測得(de)壓電變壓器半波諧振頻(pín)率爲55.7kHz;信号發生器與示波器配合,根據輸出顯示,測得(de)壓電變壓器的(de)諧振頻(pín)率爲54.8 kHz。實驗結果與有限元計算(suàn)基本一緻。
     3)疲勞加載除了(le)使多(duō)層壓電變壓器的(de)形變與振動的(de)協調性變差外,還(hái)使得(de)整體的(de)振動速率下(xià)降,振動幅度變小,升壓比降低,約是疲勞前的(de)85%左右
 。


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