層壓電陶瓷變壓器的振動與疲勞

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壓電變壓器最早于1956年由C．A．Rosen提出,。20世紀(jì)80年代初,，清華大學(xué)提出了多層獨石化壓電變壓器的創(chuàng)意及概念,，并在國際上最早開展了多層壓電變壓器的研究,。由于壓電變壓器升壓比高,、電磁干擾小,、轉(zhuǎn)換效率高,、體積小,、質(zhì)量輕、輸出波形好等優(yōu)點,，近年來在液晶顯示器背光電源,、高壓臭氧發(fā)生器、空氣清新器,、雷達(dá)等領(lǐng)域中獲得了應(yīng)用,。

   壓電變壓器是電場與振動場間相互耦合的諧振器件，在諧振狀態(tài)下,，器件會因負(fù)載,、使用環(huán)境,、輸入電壓、材料等因素,，產(chǎn)生發(fā)熱,、疲勞甚至斷裂等問題。有關(guān)壓電陶瓷材料疲勞的研究較多,，學(xué)者提出了一些疲勞機理,，目前廣為大家接受的解釋主要有疇夾持模型、電極連接不合適以及內(nèi)應(yīng)力集中,。Zuo等人認(rèn)為,，在電場的作用下，由熱應(yīng)力引起的微裂紋將成為裂紋擴展的根源,。Ru等人的研究表明,，多層陶瓷器件失效的主要機制是電極與陶瓷材料之間的界面開裂以及電極的界面開裂。Gong等人通過非線性有限元法模擬了多層壓電器件中內(nèi)電極周圍的電場分布,，并發(fā)現(xiàn)在內(nèi)電部邊緣的電場分布非常不均勻,，因此電極周圍的陶瓷材料因鐵電轉(zhuǎn)變或電致伸縮而產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，形成裂紋,。為下一步深入研究壓電變壓器微裂紋的形成及擴散機理,，本實驗研究了壓電變壓器的微振動及疲勞行為。采用激光掃描測振儀以及   疲勞加載實驗測試壓電變壓器的特性變化,。  

    1  壓電變壓器機理及結(jié)構(gòu)

     通過摻雜CdCO,、SrCO?、ZnO或Li2CO?獲得壓電變壓器所用高性能低燒兼優(yōu)的Pb(Mg?/?Nb?/?)O?．Pb(Ni?/?Nb?/?)O?一Pb(ZrTi)O?壓電材料,。多層壓電變壓器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。器件內(nèi)部有19層陶瓷介質(zhì)，外形尺寸約30 mm8 mmx3 mm,。輸入電極在器件的中部,，輸出電極分布在器件的兩端。在交變輸入電壓以及機電耦合系數(shù)k??和k??的作用下,，變壓器沿長度方向發(fā)生諧振。對于半波諧振,，有一條節(jié)線出現(xiàn)在器件的中心位置，對稱的振動使變壓器在兩端產(chǎn)生相同的輸出電壓，即升壓比相同,。  

    信號發(fā)生器輸出正弦波形,，實際輸入電壓峰峰值約10 V,。在粗測諧振頻率55 kHz附近微調(diào)頻率，測量串聯(lián)小電阻兩端的輸出電壓,，如圖4,。輸出電壓的極大值出現(xiàn)在54．8 kHz處，此為樣品的實際諧振頻率,。

   3   疲勞加載實驗 

   疲勞加載實驗條件：輸入信號的波形為正弦波,，頻率為半波諧振頻率54．8 kHz，電壓峰峰值為30 V(實際工作電壓在12 V以下),。輸出負(fù)載為94 kΩ無感電阻,。設(shè)置循環(huán)加載次數(shù)為10⁹次,，即連續(xù)振動約5 h。

    由于疲勞加載可能會導(dǎo)致諧振頻率的改變,，因此在各項對比分析之前,，首先需要重新精確測定變壓器樣品的半波諧振頻率。用示波器觀察疲勞加載后變壓器樣品的輸出電壓,，確定疲勞后諧振頻率為55．6 kHz,，與疲勞加載前的諧振頻率54．8 kHz比，相對漂移量約1.5％,。
    3.2   諧振模態(tài)振動的衰退
   使用激光測振儀,，在定頻模式測得疲勞加載后變壓器樣品在一個振動周期里的圖像。圖5a中,，各測量點的振動相位比較一致,，說明在疲勞加載前，變壓器樣品長度方向上的形變十分協(xié)調(diào)：圖5b中,，各測量點的振動有些雜亂,，這說明在疲勞加載后樣品振動有些不穩(wěn)定。從直觀上可以判斷,，疲勞加載使得變壓器樣品的振動表現(xiàn)有所衰退,。定量分析上，圖5a中顯示輸出端端部的振動速率在300μm／s左右,，而圖5b中僅在100 μm／s左右,。由此表明，疲勞加載除了使多層壓電  變壓器的形變與振動的協(xié)調(diào)性變差外,，還使得整體的振動速率下降,，振動幅度變小。

   輸入信號的頻率固定在樣品的半波諧振頻率54.8kHz處,，改變輸入信號的電壓幅值,，測得輸入端端部振幅Ai對輸入信號電壓峰峰值VP-P的曲線，如圖6所示,。在輸入電壓小于4 V時,，變壓器輸入端振幅與輸入電壓呈現(xiàn)線性關(guān)系；當(dāng)電壓大于4V后,，進(jìn)入非線性區(qū),；大于10 V后，振幅逐漸趨于飽和,。

     1)有限元法獲得變壓器半波諧振頻率約55 kHz,，全波諧振頻率約110 kHz。
     2)激光測振儀測得壓電變壓器半波諧振頻率為55．7kHz,；信號發(fā)生器與示波器配合,，根據(jù)輸出顯示，測得壓電變壓器的諧振頻率為54．8 kHz,。實驗結(jié)果與有限元計算基本一致,。
     3)疲勞加載除了使多層壓電變壓器的形變與振動的協(xié)調(diào)性變差外，還使得整體的振動速率下降,，振動幅度變小,，升壓比降低，約是疲勞前的85％左右 ,。