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(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(diǎn)，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(dòng)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(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(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。采用激光掃描測振儀以及   疲勞加載實(shí)驗(yàn)測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(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(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(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導(dǎo)致諧振頻率的改變，因此在各項(xiàng)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(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(diǎn)的振動(dòng)有些雜亂，這說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(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(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 。