压电微位移致动器的研制及其应用

论文摘要

本文是以光纤光栅传感系统中匹配FBG光纤解调为背景展开研究的,对压电陶瓷的材料特性、压电陶瓷驱动电源的软硬件设计和压电微位移致动器在匹配FBG光纤解调中的应用等问题进行了探讨,开发了实用的压电微位移致动器。论文首先深入理解压电陶瓷的组成、压电陶瓷的特性,研究了正压电效应和逆压电效应的数学表达式,分析了压电陶瓷在XYZ三个坐标系下的压电效应及压电陶瓷的逆压电效应的形变和迟滞蠕变效应。针对压电陶瓷的容性负载特性,提出了驱动电源的设计方案,完成了驱动电源软硬件设计,构建了直流稳压电路、OP07和PA78组成的混合放大电路,利用PCI9111数据采集卡的D/A模块,在LABVIEW环境下编制输入波形发生程序。在完成软硬件设计的基础上对电源的性能进行了测试。测试内容包括电源输出电压范围、输出电压稳定性、输出电压的线性度及电源的动态特性。测试结果表明所研制的电源具有良好的性能。型号为PTBS3.5×3.5/20的PZT及其上面采用防啁啾技术贴上一个中心波长为1539.8 nm的FBG形成交流电压传感头。在匹配FBG光纤解调方式中应用压电微位移致动器来拉动FBG进行解调。本文实现了压电微位移致动器输出直流电压、带偏置的交流电压拉动FBG,温度自适应动态传感系统中应用致动器实现跟踪控制。实验表明,所研制的压电微位移致动器具有良好性能,可应用于光纤光栅传感系统的匹配FBG光纤解调中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 压电陶瓷微位移致动器的特性及研究现状
• 1.2.1 压电陶瓷微位移致动器的特性
• 1.2.2 压电陶瓷驱动电源的要求
• 1.2.3 压电陶瓷微位移致动器的研究现状
• 1.3 光纤光栅传感的国内外研究现状
• 1.3.1 光纤传感的研究方向
• 1.3.2 光纤光栅传感技术目前存在的问题及发展前景
• 1.4 课题研究的主要目的及内容
• 第2章 压电陶瓷理论
• 2.1 压电陶瓷概述
• 2.2 压电陶瓷的构成
• 2.3 压电陶瓷的压电特性
• 2.3.1 压电陶瓷的弹性
• 2.3.2 压电晶体的介电性
• 2.4 压电陶瓷的压电效应
• 2.4.1 正压电效应及其表达式
• 2.4.2 逆压电效应及其表达式
• 2.4.3 压电陶瓷分别在X、Y、Z 方向的逆压电效应
• 2.4.4 PZT（锆钛酸铅）材料的逆压电效应变形分析
• 2.4.5 压电陶瓷的迟滞蠕变特性分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 压电陶瓷驱动电源的设计
• 3.1 电源的总体设计方案
• 3.2 直流稳压电路设计
• 3.3 放大电路设计
• 3.3.1 功率运算放大器的选定
• 3.3.2 放大电路的整体结构设计
• 3.3.3 放大电路的稳定性分析
• 3.3.4 输出失调电压的补偿
• 3.3.5 放大电路的相位补偿
• 3.3.6 电流限制
• 3.4 信号发生系统及控制软件设计
• 3.4.1 PCI-9111 数据采集卡简介
• 3.4.2 LABVIEW 程序设计
• 3.4.3 部分LABVIEW 波形发生程序原理图
• 3.5 压电陶瓷驱动电源的性能测试
• 3.5.1 输出电压范围和稳定性测试
• 3.5.2 输出电压线性度的测量及电源的动态响应特性
• 3.6 本章小结
• 第4章 压电致动器在光纤光栅传感系统中的应用
• 4.1 光纤光栅传感系统的基本原理
• 4.2 压电微位移致动器在光纤光栅传感系统应用实验
• 4.2.1 直流信号拉动光纤光栅实验
• 4.2.2 标定电压与中心波长实验
• 4.2.3 交流信号拉动光纤光栅实验
• 4.2.4 压电微位移致动器在交流电压监测中的实验
• 4.2.5 微位移致动器在温度自适应FBG 动态传感的应用实验..
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢