壓電管式復合驅動器及其應用研究.pdf

1、壓電復合材料是上世紀七十年代發(fā)展起來的一種新型材料，它不僅具有壓電陶瓷的響應速度快、可控精度高、低能耗、無電磁干擾等優(yōu)點，同時具有良好的柔韌性和機械加工性能，克服了壓電陶瓷易碎和難以加工成復雜形狀的缺點，易于與水及生物組織實現聲阻抗匹配，已廣泛應用于水聲換能器和醫(yī)療超聲成像等領域。其中1-3 型壓電復合材料具有優(yōu)良的特性，且易于制備，是復合材料中研究和應用最為廣泛的一種。
　　 傳統(tǒng)的1-3型壓電復合材料使用方形或者圓柱形立柱與

2、基體材料復合，本文使用壓電陶瓷管與基質復合，制成壓電管式復合驅動器以適應于多種場合的應用。除了具有傳統(tǒng)壓電復合物的優(yōu)點之外，壓電管式復合物所需的極化和驅動電壓低，能夠與導體基質復合，每個壓電陶瓷管可以獨立控制，電場利用率高，易于完成多模式驅動?；诙坦艿钠瑺顝秃衔锟梢詰迷诔暡ê透哳l振動抑制方面?；陂L管的片狀或者塊狀復合物可以用在所需位移較大的場合，例如形狀控制，中低頻的振動和噪聲控制，變形鏡和壓電馬達等。
　　 本文以壓電

3、管式復合驅動器為研究對象，首先利用經典理論和有限元法系統(tǒng)的研究了壓電管式復合物的靜、動態(tài)特性，其次分析了四管單元復合物在特定驅動模式下的靜態(tài)和諧振特性，最后列舉了壓電管式復合驅動器在彎曲搖頭式壓電馬達以及新型壓電離心泵中的應用實例。主要工作及結論包括：
　　 結合電場分布模型，分析了壓電單管的靜、動態(tài)特性。將壓電應變類比于熱應變，用rule of the mixture models和concentric cylinder mo

4、dels 進行壓電管式復合物的宏觀等效性能參數計算公式的推導。研究了電場的非均勻性對其壓電系數產生的影響，給出了密度、介電常數、壓電常數以及彈性模量的計算公式，討論了不同壓電陶瓷管體積分數、厚徑比、分布密度以及基體材料對復合物壓電特性產生的影響。借助有限元軟件對復合物單元的壓電系數和楊氏模量矩陣進行推導，研究了陶瓷材料的體積分數對其產生的影響，并與理論結果對比。
　　 仿真了復合物單元在不同載荷下容易引發(fā)材料破壞的應力分布情況。

5、分析了復合物的振動模態(tài)及其共振頻率隨結構尺寸參數的變化趨勢。
　　 對各管獨立驅動的四管復合驅動器進行了研究。理論分析了其靜態(tài)與動態(tài)特性，給出了彎曲撓度、力矩及其共振模態(tài)參數的計算公式。與傳統(tǒng)薄壁理論進行對比，證實了分析的合理性。制作了四管復合驅動器樣機并進行性能測試，結合有限元分析驗證了理論推導的正確性。并將四管復合驅動器和傳統(tǒng)的單管四分電極驅動器在各項性能參數上做了詳細的對比，證實當四管復合驅動器和單管四分電極驅動器擁有相同

6、尺寸，在相同電場強度驅動下，四管復合驅動器的整體性能通常優(yōu)于單管四分電極驅動器。此外，四管復合驅動器具有可擴展性強，電磁輻射小和驅動電壓低等優(yōu)點，并且可以避免傳統(tǒng)單管四分電極驅動器制造中非對稱的缺陷，提高驅動精度。它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單管四分電極驅動器，在掃描探針顯微鏡、壓電馬達和壓電陀螺等領域有著廣泛的應用價值。
　　 使用壓電八管復合驅動器研制了彎曲搖頭式壓電馬達，理論分析了八管復合驅動器的靜態(tài)和動態(tài)特性。設計制作了馬達樣機。樣

7、機測試結果與理論值基本吻合。馬達轉速與驅動電壓幅值呈良好的線性關系。靜態(tài)時，馬達定子的端部軌跡并非理想的圓，主要由壓電遲滯造成。馬達工作在共振頻率附近，當驅動電壓幅值為200Vp?p，頻率為5.0kHz 時，該馬達的最大空載轉速和堵轉力矩分別為319rpm和1.6mNm。當驅動電壓幅值為160Vp?p，頻率為5.0kHz，預壓力為0.3N 時，馬達的最大效率為12％，最大輸出功率為7mW。
　　 設計了基于壓電四管復合驅動器的新

8、型離心式壓電陶瓷泵。該泵無機械部件所以具有較高的效率；無精密閥門或者細微管道所以對液體純凈度要求不高；可擴展性強，由于壓電管式復合物單個壓電元件的控制獨立性，可以采用不同的驅動方式衍生出多種結構。對離心泵的靜、動態(tài)特性進行了理論分析。
　　 研究了靜態(tài)端部彎曲撓度、輸出力矩、共振模態(tài)以及液體流速對共振頻率的影響。制作了原理樣機并進行性能測試，實驗證明該壓電泵可在驅動電壓幅值為120Vp?p，諧振頻率232Hz 時,2.0kPa的

9、負壓下以7.7ml/min的速度抽出蒸餾水。在驅動信號幅值為120Vp?p，頻率為233.2Hz 時，流速最大值為8.6ml/min,泵所能承受的背壓最大值為5.4kPa。
　　 基于以上研究，本論文在以下方面具有創(chuàng)新之處：(1)對壓電管式復合物的壓電系數和楊氏模量矩陣進行了系統(tǒng)的分析，并討論了其在不同載荷下的應力和電勢分布情況。(2)利用壓電四管復合物制作的驅動器的特性優(yōu)于傳統(tǒng)的單管四分電極驅動器，可以代替其在掃描隧道顯微鏡中