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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。
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)實際諧振頻(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。
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)。
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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