基于多次压电效应的执行器研究

论文摘要

基于压电效应的传感器与执行器以其优越的性能在国民经济和国防工业中发挥着独特作用,现代精密测试与驱动技术的发展迫切需要深化与扩展压电理论,对多次压电效应的理论与应用研究势在必行。本文在国家自然科学基金（50675026）的资助下,运用压电学、晶体物理学、电介质物理学、各向异性弹性力学等交叉学科的理论,对压电晶体多次压电效应进行了深入系统地研究,研制出基于多次压电效应的微执行器和自感知执行器。本文具体工作如下:基于经典压电理论研究了压电晶体的纵向三次耦合效应,提出压电晶体三次正、逆压电效应的实验研究方法。从四类压电方程出发,推导出压电体分别在外应力和外电场作用下的多次压电效应的通用数学模型。通过与改变PZT-5叠堆边界条件等效的实验方法得到了纵向三次耦合效应,实验表明三次正、逆压电效应产生的结果与压电叠堆所施外场具有良好的线性关系,实验结果不仅验证了多次压电效应理论的正确性,而且证明了所提出的实验方法的科学性和可行性。同时,采用两片由压电系数d11转换的xy切型石英晶片制成压电石英晶组,研究了工程实际中广泛应用的压电石英三次压电效应,通过与压电石英晶组并联远大于其等效电容量的电容,消除了压电石英中的多次压电效应,从而量化压电石英晶体的纵向三次压电效应,并得到了多次压电效应对石英传感器静态灵敏度的影响结果,实验表明压电传感器的静态灵敏度提高了1.75%。分析了多次压电效应对压电石英力传感器刚度、固有频率和机电耦合系数的影响。研制开发出基于压电陶瓷叠堆多次压电效应的微执行器。研究了基于多次压电效应微执行器的原理,并验证了其可行性。通过选择微执行器的核心元件,确定其结构形式和预紧方式,从而建立了微执行器的力学模型,设计了微执行器的执行板和壳体,得到各部件的尺寸参数,并通过有限元分析进一步验证了微执行器的各部件参数选择的合理性,最后研制出基于多次压电效应的微执行器。对微执行器进行了性能检定,静态标定结果表明微执行器的外载荷与其输出电压、弹性位移以及二次逆压电位移均具有良好的线性关系。在动态标定中得到微执行器的固有频率为4.433KHz。该微执行器不仅能够实现弹性位移和二次逆压电位移的两次定位,而且可通过微执行器的一次正压电效应进行外载荷的校验。基于多次压电效应理论进行了压电执行器位移自感知的研究,提出基于多次压电效应自感知执行器的解耦方法。通过引入参考电容,采取电流积分与差分比例运算电路相结合的方式进行PZT-5叠堆执行器的位移自感知实验,结果表明压电执行器本身产生的多次正压电效应可以反映其输出位移信息,同时证明了解耦方法的正确性,从而得到一种较传统电桥电路解耦更易于在工程实际应用的方法。以基于压电陶瓷多次压电效应的微执行器为对象,进行了其位移自感知的实验研究,实验结果进一步表明基于多次压电效应的自感知方法能够很好地获取出该微执行器的位移输出信号。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源和意义
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 多次压电效应的研究现状
• 1.2.2 压电传感器的研究现状
• 1.2.3 压电执行器的研究现状
• 1.2.4 压电自感知执行器的研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 多次压电效应研究及其实验验证
• 2.1 多次压电效应的理论基础
• 2.1.1 压电效应理论基础
• 2.1.2 多次压电效应的提出
• 2.2 多次压电效应与边界条件的关系
• 2.2.1 外应力作用下多次压电效应与边界条件的关系
• 2.2.2 外电场作用下多次压电效应与边界条件的关系
• 2.3 多次压电效应的理论解析
• 2.3.1 外应力作用下多次压电效应的理论分析
• 2.3.2 外电场作用下多次压电效应的理论分析
• 2.4 三次压电耦合效应的实验研究
• 2.4.1 三次压电效应的实验方法探析
• 2.4.2 三次正压电效应实验研究
• 2.4.3 三次逆压电效应实验研究
• 2.5 不同压电材料的三次压电效应实验验证
• 2.5.1 压电石英晶体的物理性质
• 2.5.2 压电石英三次压电效应的实验研究
• 2.6 本章小结
• 3 基于多次压电效应的微执行器设计
• 3.1 基于多次压电效应的微执行器原理
• 3.2 基于多次压电效应微执行器的核心单元
• 3.3 基于压电陶瓷多次压电效应微执行器的结构设计
• 3.3.1 微执行器的结构形式设计
• 3.3.2 微执行器的预紧方式
• 3.3.3 微执行器的壳体设计
• 3.4 基于压电陶瓷多次压电效应微执行器的性能标定
• 3.4.1 微执行器的静态标定
• 3.4.2 微执行器的动态标定
• 3.5 本章小结
• 4 基于多次压电效应的自感知执行器研究
• 4.1 压电自感知执行器理论
• 4.1.1 自感知执行器的基本概念
• 4.1.2 压电自感知执行器的数学模型
• 4.2 基于多次压电效应的自感知执行器分类
• 4.2.1 传感器与执行器的集成方法
• 4.2.2 基于多次压电效应传感执行器的集成方式
• 4.3 基于多次压电效应的自感知执行器原理
• 4.3.1 基于多次压电效应自感知执行器的理论分析
• 4.3.2 压电执行器位移自感知的实现
• 4.4 基于多次压电效应自感知执行器的实验研究
• 4.4.1 实验概述
• 4.4.2 实验结果
• 4.4.3 实验结果分析
• 4.5 微执行器位移自感知的实验研究
• 4.5.1 实验测量系统
• 4.5.2 微执行器的逆压电效应实验
• 4.5.3 微执行器的位移自感知实验与结果分析
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A 基于压电陶瓷多次压电效应的微执行器
• 附录B 基于多次压电效应微执行器的核心单元
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介