層壓電陶瓷變壓器的振動(dòng)與疲勞

推薦使用:GDPT-900A型變溫D33測(cè)試系統(tǒng)，ZJ-3型準(zhǔn)靜態(tài)D33測(cè)試儀

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(dú)石化壓電變壓器的創(chuàng)意及概念，并在國(guó)際上最早開(kāi)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(diǎn),，近年來(lái)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(chǎng)與振動(dòng)場(chǎng)間相互耦合的諧振器件，在諧振狀態(tài)下,，器件會(huì)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(wèn)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(jī)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(chǎng)的作用下，由熱應(yīng)力引起的微裂紋將成為裂紋擴(kuò)展的根源,。Ru等人的研究表明,，多層陶瓷器件失效的主要機(jī)制是電極與陶瓷材料之間的界面開(kāi)裂以及電極的界面開(kāi)裂。Gong等人通過(guò)非線性有限元法模擬了多層壓電器件中內(nèi)電極周?chē)碾妶?chǎng)分布,，并發(fā)現(xiàn)在內(nèi)電部邊緣的電場(chǎng)分布非常不均勻,，因此電極周?chē)奶沾刹牧弦蜩F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(kuò)散機(jī)理,，本實(shí)驗(yàn)研究了壓電變壓器的微振動(dòng)及疲勞行為。采用激光掃描測(cè)振儀以及   疲勞加載實(shí)驗(yàn)測(cè)試壓電變壓器的特性變化,。  

    1  壓電變壓器機(jī)理及結(jié)構(gòu)

     通過(guò)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(jī)電耦合系數(shù)k??和k??的作用下,，變壓器沿長(zhǎng)度方向發(fā)生諧振,。對(duì)于半波諧振，有一條節(jié)線出現(xiàn)在器件的中心位置,，對(duì)稱(chēng)的振動(dòng)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(hào)發(fā)生器輸出正弦波形,，實(shí)際輸入電壓峰峰值約10 V,。在粗測(cè)諧振頻率55 kHz附近微調(diào)頻率，測(cè)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(shí)際諧振頻率,。

   3   疲勞加載實(shí)驗(yàn) 

   疲勞加載實(shí)驗(yàn)條件：輸入信號(hào)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(shí)際工作電壓在12 V以下),。輸出負(fù)載為94 kΩ無(wú)感電阻,。設(shè)置循環(huán)加載次數(shù)為10⁹次，即連續(xù)振動(dòng)約5 h,。

    由于疲勞加載可能會(huì)導(dǎo)致諧振頻率的改變,，因此在各項(xiàng)對(duì)比分析之前，首先需要重新精確測(cè)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(duì)漂移量約1.5％,。
    3.2   諧振模態(tài)振動(dòng)的衰退
   使用激光測(cè)振儀,，在定頻模式測(cè)得疲勞加載后變壓器樣品在一個(gè)振動(dòng)周期里的圖像。圖5a中,，各測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)相位比較一致,，說(shuō)明在疲勞加載前，變壓器樣品長(zhǎng)度方向上的形變十分協(xié)調(diào)：圖5b中,，各測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)有些雜亂,，這說(shuō)明在疲勞加載后樣品振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的協(xié)調(diào)性變差外,，還使得整體的振動(dòng)速率下降,，振動(dòng)幅度變小。

   輸入信號(hào)的頻率固定在樣品的半波諧振頻率54.8kHz處,，改變輸入信號(hào)的電壓幅值,，測(cè)得輸入端端部振幅Ai對(duì)輸入信號(hào)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(shí),，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(cè)振儀測(cè)得壓電變壓器半波諧振頻率為55．7kHz；信號(hào)發(fā)生器與示波器配合,，根據(jù)輸出顯示,，測(cè)得壓電變壓器的諧振頻率為54．8 kHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)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(dòng)的協(xié)調(diào)性變差外,，還使得整體的振動(dòng)速率下降，振動(dòng)幅度變小,，升壓比降低,，約是疲勞前的85％左右 。