压电陶瓷微驱动器（精选4篇）

压电陶瓷微驱动器 第1篇

关键词：PZT,压电陶瓷微驱动器

压电陶瓷微驱动器在一定程度上在逆压电效应的基础上制作的新型固态执行器, 并且普遍应用在众多的高新技术领域中, 如精密光学、微电子技术以及电子计算机等。而这些领域的要求促使着压电陶瓷微驱动器逐渐朝着小体积、低驱动电压、大位移量以及集成化的方向大力的发展。近年来, 随着陶瓷胚胎流延成型和金属内极电共烧技术的发展和日渐成熟, 适合大规模生产、性能优良的PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器应运而生, 有效的克服了陶瓷分层现象, 最大限度的延长了器件的使用寿命。

1 PZT概述

PZT是一种性能优异的铁电材料, 在介电、铁电、压电以及热释电等方面的效应十分良好, 普遍应用在非挥发性的动态随机存贮器的制作当中, 并且在电子材料中的地位日渐突出。近年来, 随着社会经济发展水平的日益提高, 微机电系统获得了更多的发展空间, PZT铁电薄膜凭借较高的高压电常数等方面的优势而受到广泛的重视, 在微型传感器和驱动器中都有所涉及, 在很大程度上已经逐渐成为微机电系统中常用的传感和驱动材料。

2 试验

2.1 多层片式压电陶瓷微驱动器

多层片式压电陶瓷微驱动器的制作所需要的工艺步骤非常繁杂, 具体如下:

(1) 利用电子陶瓷的制备工艺可以得到PZT三元系压电陶瓷粉体, 其软性的压电应变系数相对较大。

(2) 严格按照一定固液比例实现陶瓷粉体和有机剂的充分混合, 均匀的陶瓷浆料由此得到, 然后将其放置在流延机的料斗里进行有效地流延, 通过对括刀的高度进行合理的调节以及有机载带速度的有效控制, 由此制作出来的流延胚胎不仅质地均匀、高度适中, 而且非常致密。

(3) 把流延胚胎膜冲成各种形状, 一面将带图案的电极浆料印刷上, 然后将其按照一定的顺序统一放置在特制的模具里采用层叠形式使其能够成型, 由此就会得到一个呈多层片状式的含有电极的陶瓷胚体。

(4) 严格按照器件具体的作用面积将制作好的陶瓷胚体进行切割, 并切割成多个多层的器件胚体, 然后将全部的胚体一起放入到一定的坩埚中慢慢排塑, 经过高温封闭式的烧结以后, 便会得到含有内极的多层片式陶瓷器件。

(5) 最终经过研究流延厚膜以及高温内的电极共烧工艺, 获得了作用面积在30mm, 总厚度在2mm的多层片式压电陶瓷微驱动器。

2.2 样品测试

陶瓷单片压电的应变系数主要是中科院研制的Berlincourt测量仪, 用中科院生产的电子显微镜对多层器件微曲的显微结构进行科学的观察, 同时用中原量仪厂生产的DGS-6型数显电感测试仪对多层片式压电陶瓷微驱动器的位移值进行科学的测量。

3 结果和讨论

对于受恒定外加应力的压电陶瓷单片而言, 当在垂直于其极化方向的表面施加一定电压的时候, 压电形变为线性形变时, 由压电方程式可得出压电所产生的位移, 且通过实验的进一步得知压电的应变系数在很大程度上与厚度没有任何关系, 反倒与电压成正比关系。因此, 当电压加到一定程度时, 并且多层陶瓷片内外电极连接的具体结构形式就可以进行机械之间的并联和串联, 如图1, 进而就会极化陶瓷层, 相应的还会得到相邻陶瓷片的极化的具体方向, 取相反的方向就能够得到极化的具体结构形式。如此一来, 当多层压电陶瓷微位移器通过外加工作电压时, 就能够得到纵向位移的叠加。

与此同时, 通过观察可以发现在陶瓷层中存在着许多大小为微米的细小气孔, 根据实验可得知这主要与陶瓷流延胚膜中的粘结剂等有机物分布不均匀造成的。当陶瓷内的电极呈现共烧时, 会促使有机物出现一定的挥发现象, 气孔便由此形成。但是气泡在PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器中对于陶瓷层机电的特性不会造成任何的影响, 并且这个结果与流延法在PBNN硬性压电陶瓷制备时的机电系数基本保持一致。除此以外, 压电陶瓷中的电偶极子以及电畴无论是在直流电压还是在100Hz~5k Hz的频率范围内都能够进行同样的伸缩以及方向的转换, 并且位移量不会随着频率的改变而出现相应的改变。

综上所述, 通过研究宽带凭平坦方面的动态位移证明, 电偶极子和电畴的位移量不会随着频率的变化而发生相应的改变, 对精密动态位移的有效控制是应用多层片式器件的重要方式, 这对于多层片式压电陶瓷微驱动器的具体应用具有非常重要的意义。通过实验可以进一步证明多层片式压电陶瓷微驱动器作为新型的固态执行器件, 在位移方面不仅响应快, 并且频谱相对比较平坦, 且具有体积非常小, 工作时电压极低的显著优势。利用逆电压效应有助于压电体微观性能的研究, 其主要方法是利用压电陶瓷在电场作用下电偶极子以及电畴所引起的位移量的变化规律, 并且在一定程度上也有利于获得随频率变化的压电系数。

参考文献

[1]李国荣, 陈大任, 张望重, 张申, 沈卫, 殷庆瑞.流延成膜技术制备高性能多层片式压电陶瓷微驱动器研究[J].硅酸盐学报, 1999 (05) :533-539.

[2]李国荣, 陈大任, 殷庆瑞.PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究[J].无机材料学报, 1999 (03) :418-424.

[3]吕岩.基于PZT压电薄膜的微驱动器研究[D].大连:大连理工大学, 2006.

压电陶瓷驱动器弹性套筒的研究 第2篇

压电陶瓷驱动器 (简称压电陶瓷) 是新型的微位移器件, 具有结构简单、体积小、分辨率高、控制简单、没有发热问题等优点, 是理想的微位移器件[1,2,3,4,5,6], 广泛应用于以实现精密位移和纳米分辨力定位为主要目的的场合。现在市面有售的压电陶瓷按其包装分为封装和未封装两大类, 未封装的压电陶瓷价格相对便宜, 可以承受很大的正压力, 但不能承受剪切力, 在使用时, 极易折断, 其引出线也易损坏;封装的压电陶瓷不易损坏, 但体积大、价格过于昂贵。基于此, 研究开发了一种加工简单、成本低廉的弹性套筒作为压电陶瓷保护装置, 既可以保护压电陶瓷使其不会因受剪切力而损坏, 又可以使其性能不受影响, 同时, 大大降低了科研成本。

1 弹性套筒结构介绍

弹性套筒与压电陶瓷的装配体如图1所示, 图中, t为槽宽, b为两细槽间的距离, d为套筒的壁厚。因压电陶瓷抵抗弯矩和扭矩的能力很差, 为了防止压电陶瓷在使用过程中受到弯矩和扭矩的作用, 在压电陶瓷的顶部和驱动点之间加入钢球, 这样就形成了赫兹接触形式。压电弹性套筒上部的横向细槽采用线切割加工而成, 切割的角度、圈数和细槽的宽度可以根据设计要求加工, 下部的竖向细槽引出压电陶瓷的两根电线。压电陶瓷的径向通过在对应的两个侧面加装相同厚度的垫片进行定位。将压电陶瓷装入套筒, 通过螺杆5固定在光学平台上, 并使套筒下端面紧抵光学平台, 通上电压后, 弹性套筒就可以与之一起伸长或缩短, 同时可以消化吸收剪切力。若将装配体放入微动台中, 只需将螺杆5换成相应的紧定螺丝即可。

1.钢球 2.弹性套筒 3.压电陶瓷 4.径向定位片5.垫片 6.螺杆 7.加固圆环

2 弹性套筒的设计和分析

2.1弹性套筒的设计

弹性套筒横向细槽切割的起始角度、圈数和细槽的宽度等不同, 输出的位移大小也各不相同。改变槽的起始角度、切割角度、圈数和宽度等参数, 用有限元软件ANSYS进行分析, 在不超过材料许用应力的基础上, 尽可能用较小的力输出较大的位移。弹性套筒材料选用65Mn, 一端固定, 一端加载荷10N, 输出位移如图2～图4所示。图2为第一圈从0°开始切割, 第二圈从180°开始切割, 第三圈从0°开始切割, 第四圈从180°开始切割, 简称为A类弹性套筒;图3为第一圈从0°开始切割, 第二圈从90°开始切割, 第三圈从180°开始切割, 第四圈从270°开始切割, 简称为B类弹性套筒;图4为第一圈从0°开始切割, 第二圈从60°开始切割, 第三圈从120°开始切割, 依此类推, 直到回到0°, 简称为C类弹性套筒。

从图2～图4可以看出, B、C类弹性套筒的位移输出存在偏转, 说明B、C类的弹性套筒的切割方式不合适, 只有A类的切割方式可以使用。以下的弹性套筒均使用A类的切割方式, 改变每圈的切割角度θ、槽宽t和圈数n等进行分析研究, 结果如图5～图9所示, 结果表明了弹性套筒的切割角度越大, 圈数越多, 壁厚越薄, 输出的位移量越大;在其他条件相同时, 增大槽距, 位移量急剧减小, 增大槽宽时, 位移量急剧增大。改变弹性套筒的结构参数, 可以优化其设计。

2.2弹性套筒的驱动力模型

由以上的分析可知, 套筒若要输出相同的位移, d、t、n、b、θ可以有很多种组合, 在这些组合中, 所需压电陶瓷驱动力最小的组合即为最优设计, 因为此时压电陶瓷可以将更多的力用于驱动负载。

以套筒输出10μm的位移为例, 采用正交试验法和逐步回归分析[7]建立驱动力与各结构参数的数学模型。首先通过有限元软件模拟试验, 得到正交试验表中数据, 然后利用逐步回归得到回归方程式。根据前面的分析, 正交试验选用四水平五因素的正交表格, 以驱动力为研究对象, 计算结果如表1所示。表1中F为驱动力。

各设计参数变量具有三种函数形态 (二次多项式、三次多项式和幂函数) , 将其进行逐步回归, 求得回归方程后进行比较, 选择其中可信度和精度高的回归方程作为最优回归方程。最优回归方程式为

F=e50.5198t-1.88369n-1.22261b5.72586θ-8.97639 (1)

式 (1) 即为在套筒输出10μm位移条件下, 各结构参数与弹性套筒驱动力之间的关系式。显然, 当t=0.7mm, n=5, b=1mm, θ=288°时, 驱动力F取极小值。此时, 驱动力F与位移的关系曲线如图10所示。由图10可知, 力与位移成线性关系, 在很大的行程范围内, 所需的力很小, 而且驱动力的变化相当平稳。

2.3弹性套筒的位移模型

采用正交试验法和逐步回归分析建立位移与驱动力及各结构参数的数学模型。首先通过有限元软件模拟试验, 得到正交试验表中数据, 然后利用逐步回归得到回归方程式。根据前面的分析, 正交试验选用五水平六因素的正交表格, 以位移δ为研究对象。可得最优回归方程式为

δ=e-49.8496d-0.568449t2.66046n1.45484b-5.75683θ9.43557F0.988036 (2)

式 (2) 即为套筒输出位移与驱动力及各结构参数之间的关系式。

3 实验

3.1未加装弹性套筒的压电陶瓷位移特性实验

压电陶瓷选用的是哈尔滨工业大学博实精密测控有限公司生产的PTBS200/5*5/30, 输入电压为200V时, 标称位移为30μm, 最大推力为800N, 如图11所示。

1.压电陶瓷 2.弹簧 3.紧固螺栓 4.GT21型电感传感器 5.TT80型电感测微仪 (分辨率为0.01μm) 6.HPV型压电陶瓷驱动电源

装好压电陶瓷后, 通入10V、20V、、100V的电压, 然后再分别输入90V、80V、、0V电压, 位移量通过电感测微仪的示值获得。重复3次, 位移与电压的关系曲线如图12所示, 电压加到100V时, 最大输出位移3次平均值为19.2μm。

3.2加装弹性套筒的压电陶瓷位移特性实验

所用压电陶瓷同上, 实验装置如图13所示。弹性套筒结构参数为:θ=270°, n=4, b=1mm, t=0.5mm, d=2mm。

1.精密光学平台 2.悬臂梁支座 3.铝板, 规格为170mm100mm6mm 4.GT21型电感传感器 5.TT80型电感测微仪6.弹性套筒 7.HPV型压电陶瓷驱动电源

加压方式同上, 弹性套筒与压电陶瓷一起伸长或缩短, 位移量通过电感测微仪的示值获得。重复3次, 所得电压与位移的关系曲线如图14所示。电压加到100V时, 最大输出位移3次平均值为19.9μm。

由材料力学[8]得悬臂梁自由端挠度与作用力之间的关系式:y=Fl3/ (3W) , 式中, W=EI为梁的抗弯刚度, 弹性模量E=72GPa, l为悬臂梁外伸端长度, 此处为150mm。经计算可知, 当悬臂梁弯曲变形引起的位移为19.9μm时, 所需的作用力约为640N。说明压电陶瓷至少能够输出640N的驱动力, 达到最大出力的80%, 在实际使用中, 为了保护压电陶瓷, 不会满负荷工作, 通常取其出力的2/3或1/2工作, 甚至更小, 因此, 弹性套筒不影响压电陶瓷的使用性能。

4 结束语

研制了一种制作简单、成本低廉的弹性套筒作为未封装压电陶瓷的保护装置, 其结构参数可以根据压电陶瓷的大小进行优化, 不仅保护了压电陶瓷, 而且不影响压电陶瓷的使用性能。压电陶瓷在微纳米、精密制造、生物学等技术领域有着广泛的应用, 因此这种弹性套筒具有很好的实用价值。

参考文献

[1]戴蓉, 谢铁邦, 常素萍.纳米级定位精度一维位移工作台[J].中国机械工程, 2006, 17 (2) :115-118.

[2]Jywe W Y, Jeng Y R, Liu C H, et al.A Novel 5DOFThin Coplanar Nanometer-scale Stage[J].Preci-sion Engineering, 2008, 32:239-250.

[3]Schweizertr R, Yang R, Jouaneh M.Design andCharacterization of a Low-profile MicropositioningStage[J].Prec.Eng., 1996, 8 (1) :9-20.

[4]Merkle R C.A New Family of Six Degrees of Free-dom Positional Devices[J].Nanotechnology, 1997, 8:47-52.

[5]Chang S H, Du B C.A Precision Piezodriven Mi-cropositioner Mechanism with Large Travel Range[J].Rev.Sci.Instrum., 1998, 69 (4) :1785-1791.

[6]Juhas L, Vuhanic A, Asamovic N, et al.A Platformfor Micropositioning Based on Piezo Legs[J].Mechatronics, 2001, 11:97-869.

[7]白新桂.数据分析与理论优化设计[M].北京:清华大学出版社, 1986.

压电陶瓷微驱动器 第3篇

引信技术向来具有良好的包容性,越来越多的新材料新技术不断的应用其中。传统的安全与解除保险装置一般为机械式的,承担了感受惯性力和执行保险逻辑两种功能,其利用环境力解除保险并使隔爆部件运动到位,以此实现引信由保险状态向解除保险状态的转变[1]。此种安全与解除保险装置由于受到机械机构本身固有特性的限制,难以充分利用各种环境信息解除保险,在一些新技术弹药中通用性不强。因此,机电式引信安全系统成为发展的主流,而机电式引信安全系统的发展更为新技术新材料的引入提供了空间。

压电驱动器是运用压电材料的逆压电效应,激发弹性体的微幅振动,并通过定、动子之间的摩擦作用将振动转换成动子的运动,输出功率,驱动负载的机构[2,3]。近几十年来,压电驱动器在精密驱动和精密定位领域取得了广泛的应用,国内外的相关研究也越来越多。压电驱动器具有结构紧凑、设计灵活、响应快,位置与速度控制性好,不受磁场干扰等优点[4,5]。鉴于压电驱动器的以上优势,基于压电驱动器所设计的安全与解除保险装置,容易实现体积的微小型化,并可根据需要设计不同的结构和尺寸。可见,压电驱动器在引信中的应用相对灵活,具有良好的前景。

1压电驱动器的结构及原理

1. 1压电驱动器的结构

压电驱动器的工作模态,定子的一阶纵振提供驱动面质点y方向的往复运动,二阶弯振提供驱动面质点x方向上的往复运动。从运动学可知,若一个质点以同一频率在相互垂直的两个方向上振动时,则质点的运动轨迹是一个椭圆。在设计定子时,使一阶纵振和二阶弯振频率基本达到一致,就能在定子的驱动面上合成椭圆运动,椭圆运动的水平分量提供动子的平动速度,再通过定子和动子间的摩擦作用,输出运动和力。

文中设计的压电驱动器为直线驻波型压电驱动器,主要由定子和动子组成。定子可近似为一个矩形薄板,由定子基体、两块压电陶瓷和两个楔块组成,结构如图1( a) 所示。动子为一个L形滑块,如图1( b) 所示,其沿固定轨道做直线运动。定子的驱动足与动子接触,动子和定子两者间施加一定的预压力,使定子和动子能够有效的摩擦接触,以传递速度和力。

1. 2压电驱动器的原理

文中设计的压电驱动器的基本原理是利用逆压电效应,将压电陶瓷和金属材料复合成一个弹性体作为定子,通过施加电压信号,使定子产生超声波频段内的微幅振动,并在定子表面特定区域形成质点的特定轨迹运动,将转子( 动子) 与定子压紧,通过两者摩擦作用将微观振动转换成转子( 动子) 的宏观旋转( 直线) 运动,输出功率,驱动负载。在此,选取定子的一阶面内纵向伸缩振动模态和二阶面内弯曲振动模态作为压电驱动器的工作模态,定子的一阶纵振提供驱动面质点y方向的往复运动,二阶弯振提供驱动面质点x方向上的往复运动。 从运动学可知,若一个质点以同一频率在相互垂直的两个方向上振动时,则质点的运动轨迹是一个椭圆。在设计定子时,使一阶纵振和二阶弯振频率基本达到一致, 就能在定子的驱动面上合成椭圆运动,椭圆运动的水平分量提供动子的平动速度,再通过定子和动子间的摩擦作用,输出运动和力。

1. 3椭圆轨迹的形成过程

压电驱动器能够运动的关键是如何形成定子和动子表面质点的椭圆运动,椭圆轨迹的好坏直接影响驱动器的输出性能[6]。而椭圆轨迹的形成与施加于压电驱动器电压信号有直接相关。根据定子表面质点椭圆运动形成的原理,为定子施加相位差为90° 的两相电压信号,如图2所示,此时在定子驱动面上形成标准的椭圆轨迹,驱动器的输出性能最好。在图2所示的电压信号下,定子表面椭圆轨迹的形成过程如图3所示,由a到d为椭圆轨迹的一个周期。

2定子结构优化设计

2. 1定子材料参数

在定子的模态分析中,需要对材料的参数进行设置对于文中涉及的压电陶瓷,其材料参数如下:

a) 柔度系数矩阵

b) 压电应力常数矩阵

c) 夹持介电常数矩阵

另外,定子基体材料采用黄铜,其密度为8 500 kg/m3, 弹性模量为1. 02 × 1011N / m2,泊松比为0. 373; 楔块的材料为铝合金,其密度为2 720 kg/m3,弹性模量为6. 89 × 1010N / m2,泊松比为0. 30。

2. 2定子模态分析

在自由—自由边界条件下,无法通过解析计算得到弹性体固有共振频率的精确解,所以需要利用ANSYS对定子进行参数化建模,进行模态分析,以此来分析定子结构的固有振动特性,获得定子的共振频率、对应的振型以及振型参数[7]。然后基于模态分析所获得的数据分析结构优化方向,并制定结构优化目标函数,进行下一步优化设计。

定子模态分析结果如图4所示。

通过模态分析,得到定子的一阶纵振的频率为81 806 Hz,二阶弯振的频率为83 063 Hz,两相模态频率差为1 257 Hz,差值较大,不满足驱动器设计要求,驱动器表面质点很难形成标准椭圆运动,因此需对定子结构参数进行优化。

2. 3结构参数灵敏度分析

定子的结构参数如图5所示,阴影部分为压电陶瓷。

从图5可见,结构参数较多,如对每个参数都进行优化设计势必会增加工作量,做一些无用功。考虑到各个参数对定子固有频率的影响不同,因此采取比较各结构参数对工作模态频率影响的大小,并找出影响较大的参数作为设计变量进行优化设计的方案更加合理。

文中采用对结构参数进行灵敏度分析的方法提取对固有频率影响较大的参数。在定子优化设计过程中,整个定子共包含10个结构参数: l、l1、l2、l3、l4、l5、a、b、b1、b2,其中l4、l5、b、b2为常量。这样在优化设计中的变量就只有l、 l1、l2、l3、a、b1六个结构参数。采用单一变量法进行灵敏度分析,结构尺寸每次变化0. 1 mm,分析结果如图6及图7所示,其中横坐标数字1到6分别代表结构参数l、l1、l2、 l3、a、b1。

由图6、图7可知,6个待定结构参数中,一阶纵振和二阶弯振模态频率对L的灵敏度最大,对L1的灵敏度较小,对L2的灵敏度最小,所以选定L、a、b1为重点设计变量。

2. 4定子结构参数确定

确定设计变量后,需对结构参数进行详细设计。经过一系列分析计算,得到一阶纵振和二阶弯振模态频率随各结构参数的变化规律如图8、图9及图10所示。各图分别显示了模态频率随l、b1、a的变化规律,图中左侧纵坐标标记fE1和fB2折线图的数值,右侧纵坐标标记频率差 Δf折线图的数值。

综合考虑以上各图的分析结构及将压电驱动器应用于引信安全与解除保险机构所受到的结构限制,最终确定定子的结构参数如表1所示。

mm

优化设计后,定子两相工作模态的频率差如表2所示。由表可知,定子优化后两相工作模态频率差大大减小,能够满足两相工作模态频率一致性设计要求。

3压电驱动器应用于引信安全与解除保险装置的分析

鉴于压电驱动器的诸多优点,分析其应用于引信安全系统中的优势如下:

1) 压电精密驱动器具有结构设计灵活,转矩密度大的特点,决定了压电驱动器是一种易于小型化和多样化的驱动装置,满足引信安全与解除保险装置结构紧凑,小型化的需求。

2) 压电驱动器无电磁干扰、可无输入自锁、动态响应快、控制性能好等卓越特性,满足引信无电磁干扰及对隔爆机构的驱动要求,有利于精确控制解除保险时间,提高炮口保险距离的可控性。

3) 以压电驱动器驱动引信安全与解除保险装置的隔爆机构( 动子) ,并以环境传感器代替机械环境敏感装置, 可充分利用各种环境信息,因此在非旋或微旋弹中具有明显的优势。

4) 由于压电精密驱动器可往复运动,因此应用压电精密驱动器的引信安全与解除保险装置可实现待发状态和安全状态的可逆转换。

压电驱动器在引信安全系统中的应用具有很多的优势, 但是也存在一些问题。目前国内发展比较成熟的压电驱动器主要是行波型压电驱动器,而对于驻波型压电驱动器的研究相对并不很深入; 国内对于微小型压电驱动器的研究较少,输出性能较难满足工程应用的要求,仍有待提高。

4结语

分析了压电驱动器的原理及运动过程,设计了应用于引信安全与解除保险装置的压电驱动器,为之后制作样机做好了准备工作。通过分析压电驱动器应用于引信安全系统的优势,解释了此方案的可行性及压电驱动器在引信中的应用前景; 同时也提出了将压电驱动器应用于引信中的一些阻碍。目前,将压电驱动器应用于引信安全系统的研究处于起步阶段,任重而道远,需要针对不同引信安全系统,研究满足使用要求的压电驱动器。

摘要：针对传统引信安全系统受机械机构本身固有特性限制,通用性差,难以充分利用各种环境信息的问题,提出了利用近年来颇受关注的压电驱动器来驱动隔爆机构,以解除保险的安全与解除保险装置。根据安全与解除保险装置的尺寸要求,借助ANSYS对压电驱动器进行详细的设计。并以所设计的驱动器为基础,分析了运用压电驱动器的引信安全与解除保险装置的优势及存在的问题。

压电陶瓷微驱动器 第4篇

关键词：压电阻抗,压电传感,驱动元件,自损伤检测

1 认识压电阻抗技术

1.1 压电阻抗技术的原理

压电阻抗技术的基本原理:鉴于结构机械阻抗的变化多数是由结构损伤所引起的, 同时由于结构的机械阻抗很难通过相关的测量设备直接测试得到, 一般会采用基于压电材料的机电祸合效应的方法进行机械阻抗的测量, 通过该原理可以将结构的损伤转化为粘贴主体结构表面的压电片电阻抗的变化, 从而实现结构健康监测的目的。

1.2 压电阻抗技术的优点

与传统结构健康监测技术方法相比, 压电阻抗技术方法具有如下几个方面的优点:

(1) 压电阻抗技术方法的频率精度高, 速度快, 测量准确。

(2) 传统结构健康监测技术方法一般只能测谐振频率Fs、反谐振频率Fp、动态阻抗等参数, 压电阻抗技术方法却可以测量压电器件的全部参数。

(3) 测量方便。传统结构健康监测技术方法需要手动调节, 而压电阻抗技术方法可以自动扫描并计算参数。传统结构健康监测技术方法完全是人为控制, 效率低, 精度低。

(4) 传统结构健康监测技术方法判断不出换能器的共振模态的优劣, 而压电阻抗技术方法可以很好地观察器件的共振模态。传统结构健康监测技术方法得不到导纳圆, 也就无法评估压电晶体的优劣。

(5) 传统结构健康监测技术方法只能观察阻抗模, 却不能观察相位。而压电阻抗技术方法却可以观察阻抗模和相位。也就是说, 传统结构健康监测技术方法测量不能区分电导和电纳, 这种测量只能反映压电晶体的部分特性。

(6) 传统结构健康监测技术方法中测量网络本身的寄生电感和寄生电容会对测量结果造成很大的影响, 但是压电阻抗技术方法可以消除寄生电感和寄生电容的影响。

2 压电自损伤检测理论分析

2.1 压电自损伤检测理论说明

在对压电片施加激励电压使其振动前, 需要将压电陶瓷片作为传感器或驱动器粘贴在相应的结构上。然后充分利用压电片的机电耦合特性, 将结构机械阻抗的变化转化为压电片电阻抗变化。通过这一压电自损伤检测理论来实现压电传感、驱动元件自损伤检测。

2.2 压电自损伤检测理论的实现

压电陶瓷是一类晶体物质, 在交流电压的作用下, 能够产生伸缩振动, 从而发出声音, 这种现象在物理学上叫压电效应, 具有压电效应的陶瓷就叫压电陶瓷。相反, 当它在受到机械压力时, 即使这种压力微小的和声波振动那样小, 都会产生伸缩等形状变化, 随着形状的变化, 这种晶体的两面会产生不同的电荷, 这样, 当声波作用在压电陶瓷上的时候, 振动就会变成电讯号。

对于压电器件, 通过压电阻抗技术方法可以得到其主要参数, 包括:谐振频率Fs、反谐振频率Fp、半功率点F1与F2、最大导纳Gmax、静电容C0、动态电抗R1、动态电容C1、动态电感L1、自由电容CT、自由介电常数、机械品质因素Qm、机电耦合系数Keff、平面机电耦合系数Kp等, 并可以绘制压电器件的五种特性曲线 (导纳特性图、阻抗特性图、导纳极坐标图、阻抗极坐标图、对数坐标图) 。通过这些参数和相关参数特性曲线的分析, 可以对压电器件和驱动元件设备的自损伤程度进行科学的检测。

3 基于压电阻抗技术原理的压电传感、驱动元件自损伤检测方法的试验应用说明

对于一个新的元件, 要采用基于压电阻抗技术原理的压电传感、驱动元件自损伤检测方法对其自损伤状况进行检测, 用户可能不知道它的谐振频率或反谐振频率的确切位置, 这时候, 最好的办法是先用较大的频率步距进行扫描, 例如, 一个器件在20k Hz~50k Hz的频率范围内以自动频率步距扫描一遍。此时需要扫描110个点的数据, 可以得到器件在导纳极坐标系下的特性图。从导纳特性图中导纳辐角的变化趋势就可以得出如下结论:

(1) 导纳的相位从38k Hz到39k Hz的范围内由正变负, 表明在38k Hz到39k Hz的频率范围有谐振点出现。

(2) 导纳的相位从41k Hz到42k Hz的范围内由负变正, 表明在41k Hz到42k Hz的频率范围内有反谐振点出现。

(3) 由于反谐振频率Fp不在38k Hz~39k Hz的频率范围内, 因此不可能得到器件的反谐振频率Fp, 所以就可以据此来对元件的自损伤状况进行科学的断定。

4 结语

本文提出了一种基于压电阻抗技术原理的压电传感、驱动元件自损伤检测方法, 该方法的提出可以有效提高压电传感、驱动元件自损伤检测的精确度, 从而可以更好的促进压电阻抗法在结构健康监测方面的应用。

参考文献

[1]孙佳, 裘进浩, 费利萍, 袁欣.基于阻抗技术的压电元件自损伤检测[J].振动、测试与诊断, 2011 (8) .