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層壓電陶瓷變壓器的振動(dòng)與疲勞

更新時(shí)間：2022-12-30  |  點(diǎn)擊率：1044

層壓電陶瓷變壓器的振動(dòng)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(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、雷達等領(lǐng)域中獲得了應用。

   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應力集中。Zuo等人認為，在電場(chǎng)的作用下，由熱應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(kāi)裂以及電極的界面開(kāi)裂。Gong等人通過(guò)非線(xiàn)性有限元法模擬了多層壓電器件中內電極周?chē)碾妶?chǎng)分布，并發(fā)現在內電部邊緣的電場(chǎng)分布非常不均勻，因此電極周?chē)奶沾刹牧弦蜩F電轉變或電致伸縮而產(chǎn)生不協(xié)調變形，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(shí)驗研究了壓電變壓器的微振動(dòng)及疲勞行為。采用激光掃描測振儀以及   疲勞加載實(shí)驗測試壓電變壓器的特性變化。  

    1  壓電變壓器機理及結構

     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構如圖1所示。器件內部有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k??和k??的作用下，變壓器沿長(cháng)度方向發(fā)生諧振。對于半波諧振，有一條節線(xiàn)出現在器件的中心位置，對稱(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。  

    利用有限元分析軟件，對多層壓電變壓器的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了理論計算與分析。分析采用的特性參數見(jiàn)表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 諧振頻率的測試
     精確測定多層壓電變壓器的諧振頻率主要包括兩個(gè)方法：用Polytec OFV 056測振掃描探頭對樣品在一定頻率范圍掃描，獲得樣品在激光入射方向上樣品表面各點(diǎn)的振動(dòng)速度與位移；用信號發(fā)生器與示波器配合，觀(guān)測輸出電壓，最終測得諧振頻率。
    選擇掃頻模式(FFT)鋇IJ試樣品表面的振動(dòng)，得到振動(dòng)速率對頻率的曲線(xiàn)，如圖2所示。樣品在55．7 kHz出現了明顯的峰值，表明樣品在該頻率發(fā)生諧振，結合有限元分析結果，可以確定在55．7 kHz頻率處于半波諧振模態(tài)。
 
     根據諧振原理，當壓電變壓器處于諧振時(shí)，其振動(dòng)最為強烈，升壓比達到局部極大值。因此，控制輸入信號的波形和電壓幅值不變，改變輸入信號的頻率，通過(guò)觀(guān)察輸出電壓幅值的變化，可以更精確地測定樣品的諧振頻率。實(shí)驗裝置見(jiàn)圖3。其中，信號發(fā)生器為DF1692型多功能任意波形發(fā)生器，變壓器專(zhuān)用功率放大器為KH-1A型寬帶功率放大器，示波器為T(mén)DS5054數字熒光顯示示波器，R1代表94 kΩ的水泥電阻負載，R代表4 kΩ的串聯(lián)小電阻。

    信號發(fā)生器輸出正弦波形，實(shí)際輸入電壓峰峰值約10 V。在粗測諧振頻率55 kHz附近微調頻率，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 

   疲勞加載實(shí)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(shí)際工作電壓在12 V以下)。輸出負載為94 kΩ無(wú)感電阻。設置循環(huán)加載次數為109次，即連續振動(dòng)約5 h。

   3.1  諧振頻率的漂移

    由于疲勞加載可能會(huì )導致諧振頻率的改變，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(guān)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(dòng)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(gè)振動(dòng)周期里的圖像。圖5a中，各測量點(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(cháng)度方向上的形變十分協(xié)調：圖5b中，各測量點(diǎn)的振動(dòng)有些雜亂，這說(shuō)明在疲勞加載后樣品振動(dòng)有些不穩定。從直觀(guān)上可以判斷，疲勞加載使得變壓器樣品的振動(dòng)表現有所衰退。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(xiàn)，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線(xiàn)性關(guān)系；當電壓大于4V后，進(jìn)入非線(xiàn)性區；大于10 V后，振幅逐漸趨于飽和。

 
    同時(shí)，疲勞后的輸入端振幅平均比疲勞前減少超過(guò)10％，且疲勞后的曲線(xiàn)不穩定。這說(shuō)明109次的循環(huán)加載引起了變壓器樣品的部分疲勞，樣品的端部及整體的振動(dòng)幅度和速率都減小了約10％。但輸入電壓小于4 V時(shí)，輸入端振幅與輸入電壓的線(xiàn)性關(guān)系較好。
    3.3  疲勞加載前后輸入輸出特性的對比
    由于負載對輸入輸出特性的顯著(zhù)影響，測試需要在不同的負載電阻下重復數次，結果見(jiàn)圖7。當輸入電壓峰峰值小于20 V時(shí)，在4個(gè)負載阻值下，輸出電壓與輸入電壓都保持了較好的線(xiàn)性關(guān)系。當負載的阻值小于110 kΩ時(shí)，在10 v至U60 V的整個(gè)電壓峰峰值的范圍內，輸出電壓都隨輸入電壓的增加而線(xiàn)性增加；當負載電阻大于160kΩ時(shí)，輸出電壓在輸入電壓峰峰值大于20 v起逐漸顯示出非線(xiàn)性。
     根據圖7中負載電阻87 kΩ對應的兩條曲線(xiàn)，可知疲勞加載后的曲線(xiàn)絕大部分低于疲勞加載前的，即在10～60 V的輸入電壓峰峰值范圍內，疲勞加載后變壓器樣品的升壓比總體來(lái)看是降低了，約是疲勞前的85％左右，這與輸入端端面振動(dòng)幅度的減小比率也比較符合。
      4結 論

     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，根據輸出顯示，測得壓電變壓器的諧振頻率為54．8 kHz。實(shí)驗結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(dòng)的協(xié)調性變差外，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 。