基于多次压电效应的可作动传感器的研制

论文摘要

自从1880年Curie兄弟在石英晶体上发现压电效应以来,压电效应已由基于应力的纵向、横向、剪切效应等二维效应发展到基于变形的拉压、弯曲、扭转效应等三维复合效应。近年来,压电效应的理论和应用研究已取得了突飞猛进的发展。然而,一直以来的压电效应研究均属于一次压电效应领域。由于科学技术发展和工程实际需要,随着多次压电效应的感生电场和感生应变越来越微小化,需要进一步对多次压电效应的理论与应用进行研究。国内外同类文献检索中,只有少量有关二次压电效应理论的研究,尚无二次压电效应的应用以及二次以上压电效应理论与应用研究的报导。本文分析了一次、二次以及多次压电效应与压电体机械与电学边界条件的关系。多次压电效应产生的前提是满足相应边界条件。本文进行了从一次正压电效应开始的多次压电效应的基础研究。运用大型有限元分析软件ANSYS对从正压电效应开始的一次正、二次逆、三次正压电效应进行了模拟仿真,将输出结果和多次压电效应表达式计算结果进行比较,验证了理论解析表达式的正确性。并使用PZT-5压电陶瓷的叠堆形式,进行了从正压电效应开始的一次正、二次逆、三次正压电效应的实验验证,证明了多次压电效应应用于可作动传感器的可行性。最后,选用压电陶瓷叠堆采用传感执行同一方向的形式设计并制作了应用一次正及二次逆压电效应的可作动传感器。为了实现其稳定可靠以及可控的输出,设计了配套的电路,并进行了电路的调试。经过整体的实验测试,验证了可作动传感器可应用于工程实践,并能够实现可靠的二级定位。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 压电效应的研究历史及国内外现状
• 1.3 压电传感器与执行器的研究历史及国内外现状
• 1.3.1 压电材料的发展与应用
• 1.3.2 压电传感器的研究现状
• 1.3.3 压电执行器的研究现状
• 1.4 压电传感器与执行器集成一体化的研究历史及国内外现状
• 1.5 本文的主要内容
• 2 多次压电效应相关理论及发展
• 2.1 压电学与压电效应
• 2.2 压电方程与边界条件
• 2.2.1 边界条件
• 2.2.2 一次压电效应与边界条件的关系
• 2.2.3 二次压电效应与边界条件的关系
• 2.2.4 多次压电效应与边界条件的关系
• 2.3 正压电效应开始的多次压电效应的理论分析
• 2.4 本章小结
• 3 多次压电效应的仿真分析
• 3.1 ANSYS压电分析基础
• 3.1.1 ANSYS软件简介
• 3.1.2 耦合分析的介绍
• 3.1.3 ANSYS压电分析简介
• 3.2 压电石英与压电陶瓷特性
• 3.3 多次压电效应的ANSYS模型仿真
• 3.3.1 一次正压电效应的模型仿真
• 3.3.2 正压电效应开始的二次逆压电效应模型仿真
• 3.3.3 PZT-5三次正压电效应模型仿真
• 3.4 本章小结
• 4 多次压电效应的实验研究
• 4.1 一次正压电效应的实验研究
• 4.2 二次逆压电效应的实验研究
• 4.3 三次正压电效应的实验研究
• 4.4 本章小结
• 5 可作动传感器的研制
• 5.1 功能集成型传感执行器分类
• 5.2 正压电效应开始的多次压电效应的应用基础
• 5.2.1 利用二次逆压电效应设计微执行器
• 5.2.2 利用一次正、二次逆压电效应设计可作动传感器
• 5.3 总体方案设计
• 5.3.3 可作动传感器整体方案设计
• 5.4 可作动传感器的结构设计
• 5.4.1 可作动传感器的整体设计
• 5.4.2 可作动传感器的力学分析
• 5.5 可作动传感器的电路设计
• 5.5.1 可作动传感器的电路整体设计方案
• 5.5.2 CPU的选择及其特性
• 5.5.3 相关电路设计
• 5.5.4 高压线性放大电路设计
• 5.6 软件设计
• 5.6.1 软件设计概述
• 5.6.2 编程语言的选择
• 5.6.3 系统程序设计流程
• 5.7 本章小结
• 6 可作动传感器的实验测试
• 6.1 实验设备
• 6.2 输出测试
• 6.2.1 输出电压测试
• 6.2.2 输出位移测试
• 6.3 峰值采集测试
• 6.4 二级定位输出测试
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 电路原理图
• 附录B 部分实物图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢