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層壓電陶瓷變壓器的振動與疲勞

更新時間：2022-12-30  |  點擊率：1567

層壓電陶瓷變壓器的振動與疲勞

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壓電變壓器最早於(yu) 1956年由C．A．Rosen提出。20世紀80年代初，清華大學提出了多層獨石化壓電變壓器的創意及概念，並在國際上最早開展了多層壓電變壓器的研究。由於(yu) 壓電變壓器升壓比高、電磁幹擾小、轉換效率高、體(ti) 積小、質量輕、輸出波形好等優(you) 點，近年來在液晶顯示器背光電源、高壓臭氧發生器、空氣清新器、雷達等領域中獲得了應用。

   壓電變壓器是電場與(yu) 振動場間相互耦合的諧振器件，在諧振狀態下，器件會(hui) 因負載、使用環境、輸入電壓、材料等因素，產(chan) 生發熱、疲勞甚至斷裂等問題。有關(guan) 壓電陶瓷材料疲勞的研究較多，學者提出了一些疲勞機理，目前廣為(wei) 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(nei) 應力集中。Zuo等人認為(wei) ，在電場的作用下，由熱應力引起的微裂紋將成為(wei) 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製是電極與(yu) 陶瓷材料之間的界麵開裂以及電極的界麵開裂。Gong等人通過非線性有限元法模擬了多層壓電器件中內(nei) 電極周圍的電場分布，並發現在內(nei) 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變或電致伸縮而產(chan) 生不協調變形，形成裂紋。為(wei) 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(wei) 。采用激光掃描測振儀(yi) 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構

     通過摻雜CdCO、SrCO₃、ZnO或Li2CO₃獲得壓電變壓器所用高性能低燒兼優(you) 的Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃．Pb(Ni₁/₃Nb₂/₃)O₃一Pb(ZrTi)O₃壓電材料。多層壓電變壓器的結構如圖1所示。器件內(nei) 部有19層陶瓷介質，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(liang) 端。在交變輸入電壓以及機電耦合係數k₃₁和k₃₃的作用下，變壓器沿長度方向發生諧振。對於(yu) 半波諧振，有一條節線出現在器件的中心位置，對稱的振動使變壓器在兩(liang) 端產(chan) 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模態進行了理論計算與分析。分析采用的特性參數見表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方法：用Polytec OFV 056測振掃描探頭對樣品在一定頻率範圍掃描，獲得樣品在激光入射方向上樣品表麵各點的振動速度與位移；用信號發生器與示波器配合，觀測輸出電壓，最終測得諧振頻率。
    選擇掃頻模式(FFT)鋇IJ試樣品表麵的振動，得到振動速率對頻率的曲線，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生諧振，結合有限元分析結果，可以確定在55．7 kHz頻率處於半波諧振模態。
 
     根據諧振原理，當壓電變壓器處於諧振時，其振動最為強烈，升壓比達到局部極大值。因此，控製輸入信號的波形和電壓幅值不變，改變輸入信號的頻率，通過觀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。實驗裝置見圖3。其中，信號發生器為DF1692型多功能任意波形發生器，變壓器專用功率放大器為KH-1A型寬帶功率放大器，示波器為TDS5054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的串聯小電阻。

    信號發生器輸出正弦波形，實際輸入電壓峰峰值約10 V。在粗測諧振頻率55 kHz附近微調頻率，測量串聯小電阻兩(liang) 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(wei) 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(wei) 正弦波，頻率為(wei) 半波諧振頻率54．8 kHz，電壓峰峰值為(wei) 30 V(實際工作電壓在12 V以下)。輸出負載為(wei) 94 kΩ無感電阻。設置循環加載次數為(wei) 109次，即連續振動約5 h。

   3.1  諧振頻率的漂移

    由於(yu) 疲勞加載可能會(hui) 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。用示波器觀察疲勞加載後變壓器樣品的輸出電壓，確定疲勞後諧振頻率為(wei) 55．6 kHz，與(yu) 疲勞加載前的諧振頻率54．8 kHz比，相對漂移量約1.5％。
    3.2   諧振模態振動的衰退
   使用激光測振儀(yi) ，在定頻模式測得疲勞加載後變壓器樣品在一個(ge) 振動周期裏的圖像。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調：圖5b中，各測量點的振動有些雜亂(luan) ，這說明在疲勞加載後樣品振動有些不穩定。從(cong) 直觀上可以判斷，疲勞加載使得變壓器樣品的振動表現有所衰退。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(jin) 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(yu) 振動的協調性變差外，還使得整體(ti) 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。在輸入電壓小於(yu) 4 V時，變壓器輸入端振幅與(yu) 輸入電壓呈現線性關(guan) 係；當電壓大於(yu) 4V後，進入非線性區；大於(yu) 10 V後，振幅逐漸趨於(yu) 飽和。

 
    同時，疲勞後的輸入端振幅平均比疲勞前減少超過10％，且疲勞後的曲線不穩定。這說明109次的循環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幅度和速率都減小了約10％。但輸入電壓小於4 V時，輸入端振幅與輸入電壓的線性關係較好。
    3.3  疲勞加載前後輸入輸出特性的對比
    由於負載對輸入輸出特性的顯著影響，測試需要在不同的負載電阻下重複數次，結果見圖7。當輸入電壓峰峰值小於20 V時，在4個負載阻值下，輸出電壓與輸入電壓都保持了較好的線性關係。當負載的阻值小於110 kΩ時，在10 v至U60 V的整個電壓峰峰值的範圍內，輸出電壓都隨輸入電壓的增加而線性增加；當負載電阻大於160kΩ時，輸出電壓在輸入電壓峰峰值大於20 v起逐漸顯示出非線性。
     根據圖7中負載電阻87 kΩ對應的兩條曲線，可知疲勞加載後的曲線絕大部分低於疲勞加載前的，即在10～60 V的輸入電壓峰峰值範圍內，疲勞加載後變壓器樣品的升壓比總體來看是降低了，約是疲勞前的85％左右，這與輸入端端麵振動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(yi) 測得壓電變壓器半波諧振頻率為(wei) 55．7kHz；信號發生器與(yu) 示波器配合，根據輸出顯示，測得壓電變壓器的諧振頻率為(wei) 54．8 kHz。實驗結果與(yu) 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(yu) 振動的協調性變差外，還使得整體(ti) 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 。