多次压电效应探析及在传感执行器上的应用基础研究

论文摘要

本项目由教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助，项目名称为“机电耦合多次感生效应探析及在传感执行器上的应用”（项目编号：20010141006）。 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。以上压电效应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。孙宝元教授于1999年首次提出多次压电效应概念。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。将压电材料看成一个热力学系统，分析了三种能量、四种能量以及六种能量之间主效应与交叉耦合效应间的线性关系。分析了机电耦合（压电）效应与电磁效应的相似性，说明压电效应与电磁效应都具有双向可逆效应，都存在着二次、三次…等多次感生效应。 本文进行了从一次正、一次逆压电效应开始的多次压电效应的理论研究，建立了多次压电效应的解析表达式，同时分析了多次压电效应对压电体介电系数、等效电容、弹性系数、泊松比、压电系数的影响规律。 本文使用压电石英和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、三次正压电效应以及从逆压电效应开始的一次逆、二次正、三次逆压电效应的实验验证，证明了多次压电效应的存在。 本文进行了多次压电效应在传感执行器上的应用基础研究。探讨了一次正压电效应开始的二次逆压电效应的应用。提出了应用二次逆压电效应设计微驱动装置的方案，并通过实验验证了其可行性。提出了利用一次正、二次逆压电效应设计“可作动传感器”的方案及实现结构。探讨了一次逆压电效应开始的二次正压电效应的应用。提出利用一次逆、二次正压电效应设计“自感知执行器”的方案及实现结构。 由于多次压电效应的各次正、逆压电效应是在同一压电体内依次存在的双向效应，其原理特别适合于传感器、执行器集成一体化的研究，本文关于多次压电效应应用的研究均属于此范畴。因此，该研究对于微机电系统（MEMS）的发展具有重要意义。

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 压电效应、压电方程与边界条件
• 2.1 压电效应与压电材料
• 2.1.1 压电学与压电效应
• 2.1.2 压电材料的分类
• 2.2 压电方程与边界条件
• 2.2.1 边界条件
• 2.2.2 压电方程
• 2.3 多次压电效应与边界条件的关系
• 2.3.1 压电振子的四类边界条件
• 2.3.2 一次压电效应与边界条件的关系
• 2.3.3 二次压电效应与边界条件的关系
• 2.3.4 多次压电效应与边界条件的关系
• 2.4 压电双向换能器（变换器）理论研究
• 2.4.1 机电双口网络分析压电换能器
• 2.4.2 压电圆片的等效机电网络
• 2.5 本章小结
• 3 能量间物质效应模型及压电效应与电磁效应的相似性分析
• 3.1 能量间物质效应模型
• 3.1.1 三种能量间的物质效应模型
• 3.1.2 四种能量间的物质效应模型
• 3.1.3 六种能量间的物质效应模型
• 3.2 热力学关系及压电方程的热力学基础
• 3.2.1 热力学基本原理
• 3.2.2 晶体机电热磁的能量守恒方程
• 3.2.3 晶体机电热磁效应的状态方程
• 3.2.4 压电方程的热力学基础
• 3.3 压电效应与电磁效应的相似性分析
• 3.3.1 电磁场的基本理论
• 3.3.2 压电场的基本理论
• 3.3.3 机电耦合（压电）效应与电磁效应的相似性
• 3.4 本章小结
• 4 多次压电效应的理论模型
• 4.1 正压电效应开始的多次压电效应的理论分析
• 4.2 正压电效应开始的多次压电效应对物性常数的影响
• 4.2.1 正压电效应开始的多次压电效应对弹性系数及泊松比的影响
• 4.2.2 正压电效应开始的多次压电效应对能量转换的影响
• 4.2.3 正压电效应开始的多次压电效应对压电系数的影响
• 4.3 逆压电效应开始的多次压电效应的理论分析
• 4.4 逆压电效应开始的多次压电效应对物性常数的影响
• 4.4.1 逆压电效应开始的多次压电效应对介电系数及等效电容的影响
• 4.4.2 逆压电效应开始的多次压电效应对能量转换的影响
• 4.4.3 逆压电效应开始的多次压电效应对压电系数的影响
• 4.5 压电效应的高阶效应及在传感器、执行器中的应用
• 4.5.1 压电方程的泰勒展开形式
• 4.5.2 线性、非线性拟合测量数据
• 4.5.3 传感器、执行器实验数据线性、非线性拟合分析
• 4.6 本章小结
• 5 多次压电效应的实验研究
• 5.1 压电石英与压电陶瓷特性
• 5.1.1 压电石英特性
• 5.1.2 压电陶瓷特性
• 5.2 实验设备
• 5.3 压电叠堆的性质
• 5.3.1 压电晶片与压电叠堆的结构与性质
• 5.3.2 压电叠堆的基本参数及其预紧力
• 5.4 正压电效应开始的多次压电效应实验研究
• 5.4.1 一次正压电效应的实验研究
• 5.4.2 二次逆压电效应的实验研究
• 5.4.3 三次正压电效应的实验研究
• 5.5 逆压电效应开始的多次压电效应实验研究
• 5.5.1 一次逆压电效应的实验研究
• 5.5.2 二次正压电效应的实验研究
• 5.5.3 三次逆压电效应的实验研究
• 5.6 本章小结
• 6 多次压电效应在压电传感执行器上的应用基础研究
• 6.1 功能集成型传感执行器分类
• 6.2 正压电效应开始的多次压电效应的应用基础研究
• 6.2.1 利用二次逆压电效应设计微执行器
• 6.2.2 利用一次正、二次逆压电效应设计可作动传感器
• 6.3 逆压电效应开始的多次压电效应的应用基础研究
• 6.3.1 一次逆、一次正压电效应在传感执行器中的应用
• 6.3.2 一次逆、二次正压电效应在自感知执行器中的应用
• 6.4 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A 多次压电效应实验结构
• 附录B LVDT测位移及石英传感器测力
• 附录C 石英叠堆与PZT-5陶瓷叠堆
• 附录D 压电石英测力传感器
• 附录E 电荷积分器
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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