多次压电效应及其自感知执行器的应用研究

论文摘要

随着微测试与微测量技术的发展,当要求压电传感器与执行器高精度、微型化、集成化时,若在机电变换中只考虑一次压电效应,就会产生较大的测量误差,因此进一步对多次压电效应的理论与应用进行研究日显必要。本课题来源于国家自然科学基金项目,项目名称为“多次压电效应的研究与在微传感执行器上应用”（项目编号:50675026）,本文所做的工作主要包括多次压电效应的理论分析与实验证明以及多次压电效应在自感知执行器上的应用研究。基于经典压电学理论,分析了外电场作用下多次压电效应的产生与压电体所处边界条件的关系,阐述了多次压电效应的产生过程,并推导出外电场作用下二次正、三次逆压电效应的理论公式,同时分析了多次压电效应对压电体介电系数、等效电容、压电系数、能量转换的影响。利用有限元分析软件ANSYS,计算压电陶瓷在准静态场中的一次逆、二次正、三次逆压电效应产生的位移或电压值,为实验研究提供理论依据。以PZT-5叠堆为研究对象进行了二次正、三次逆压电效应的实验研究,实验结果证实了多次压电效应的存在,而且其产生与压电体所处边界条件密切相关。针对多次压电效应在同一压电体上双向可逆的特点,进行了多次压电效应实现压电执行器位移自感知的理论分析。依据该原理利用一次逆压电效应完成驱动功能、二次正压电效应完成传感功能,设计了自感知执行器的方案及实现结构,并通过实验验证了该种方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 课题的研究背景
• 1.2.1 压电效应的研究历史及国内外研究现状
• 1.2.2 压电自感知执行器的研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 2 压电理论基础及其发展
• 2.1 压电效应与压电材料
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电材料及其压电机理
• 2.2 压电体的边界条件与压电方程
• 2.2.1 压电体的边界条件
• 2.2.2 压电方程
• 2.3 多次压电效应的提出
• 2.3.1 晶体状态四维效应模型
• 2.3.2 机电耦合效应与电磁效应的相似性
• 2.3.3 多次压电效应的基本概念
• 2.4 本章小结
• 3 外电场作用下多次压电效应的理论模型
• 3.1 多次压电效应与边界条件的关系
• 3.1.1 一次逆压电效应与边界条件的关系
• 3.1.2 二次正压电效应与边界条件的关系
• 3.1.3 多次压电效应与边界条件的关系
• 3.2 外电场作用下多次压电效应的理论分析
• 3.3 外电场作用下的多次压电效应对物性常数的影响
• 3.3.1 多次压电效应对介电系数及等效电容的影响
• 3.3.2 多次压电效应对能量转换的影响
• 3.3.3 多次压电效应对压电系数的影响
• 3.4 本章小结
• 4 外电场作用下多次压电效应的仿真分析与实验研究
• 4.1 压电叠堆的结构与性质
• 4.2 外电场作用下多次压电效应的仿真分析
• 4.2.1 有限元法及ANSYS软件简介
• 4.2.2 单片压电陶瓷多次压电效应的仿真分析
• 4.3 外电场作用下多次压电效应的实验研究
• 4.3.1 实验设备
• 4.3.2 一次逆压电效应的实验研究
• 4.3.3 二次正压电效应的实验研究
• 4.3.4 三次逆压电效应的实验研究
• 4.4 本章小结
• 5 二次压电效应在自感知执行器上的应用研究
• 5.1 自感知压电陶瓷执行器的等效电路模型
• 5.2 基于二次压电效应的压电陶瓷执行器的位移自感知
• 5.2.1 基于二次压电效应的位移自感知原理
• 5.2.2 基于积分器的压电陶瓷执行器位移自感知电路
• 5.2.3 利用二次正压电效应自感知压电执行器输出位移的实验
• 5.3 压电叠堆精密定位装置的位移自感知
• 5.3.1 压电叠堆精密定位装置的结构设计
• 5.3.2 压电叠堆精密定位装置位移自感知实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 实验相关照片
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢