壓電測試儀之多層壓電陶瓷變壓器的振動與疲勞

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多層壓電陶瓷變壓器的振動與疲勞

推薦使用:GDPT-900A型變溫壓電測試系統(tǒng)，ZJ-3型靜壓電測試系統(tǒng)

壓電變壓器早于1956年由C．A．Rosen提出。20世紀(jì)80年代初，清華大學(xué)提出了多層獨石化壓電變壓器的創(chuàng)意及概念，并在上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，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端部的界面開裂。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)電極端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，本實驗研究了壓電變壓器的微振動及疲勞行為。采用激光掃描測振儀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(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模態(tài)進(jìn)行了理論計算與分析。分析采用的特性參數(shù)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
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范圍掃描，獲得樣品在激光入射方向上樣品表面各點的振動速度與位移；用信號發(fā)生器與示波器配合，觀測輸出電壓，終測得諧振頻率。

選擇掃頻模式(FFT)鋇IJ試樣品表面的振動，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(xiàn)了明顯的峰值，表明樣品在該頻率發(fā)生諧振，結(jié)合有限元分析結(jié)果，可以確定在55．7 kHz頻率處于半波諧振模態(tài)。

根據(jù)諧振原理，當(dāng)壓電變壓器處于諧振時，其振動為強(qiáng)烈，升壓比達(dá)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，通過觀察輸出電壓幅值的變化，可以地測定樣品的諧振頻率。實驗裝置見圖3。其中，信號發(fā)生器為DF1692型多功能任意波形發(fā)生器，變壓器專用功率放大器為KH-1A型寬帶功率放大器，示波器為TDS5054數(shù)字熒光顯示示波器，R1代表94 kΩ的水泥電阻負(fù)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：輸入信號的波形為正弦波，頻率為半波諧振頻率54．8 kHz，電壓峰峰值為30 V(實際工作電壓在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)振動約5 h。

3.1 諧振頻率的漂移

由于疲勞加載可能會導(dǎo)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振動周期里的圖像。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(xié)調(diào)：圖5b中，各測量點的振動有些雜亂，這說明在疲勞加載后樣品振動有些不穩(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的協(xié)調(diào)性變差外，還使得整體的振動速率下降，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。在輸入電壓小于4 V時，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。

同時，疲勞后的輸入端振幅平均比疲勞前減少超過10％，且疲勞后的曲線不穩(wěn)定。這說明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幅度和速率都減小了約10％。但輸入電壓小于4 V時，輸入端振幅與輸入電壓的線性關(guān)系較好。

3.3 疲勞加載前后輸入輸出特性的對比

由于負(fù)載對輸入輸出特性的顯著影響，測試需要在不同的負(fù)載電阻下重復(fù)數(shù)次，結(jié)果見圖7。當(dāng)輸入電壓峰峰值小于20 V時，在4個負(fù)載阻值下，輸出電壓與輸入電壓都保持了較好的線性關(guān)系。當(dāng)負(fù)載的阻值小于110 kΩ時，在10 v至U60 V的整個電壓峰峰值的范圍內(nèi)，輸出電壓都隨輸入電壓的增加而線性增加；當(dāng)負(fù)載電阻大于160kΩ時，輸出電壓在輸入電壓峰峰值大于20 v起逐漸顯示出非線性。

根據(jù)圖7中負(fù)載電阻87 kΩ對應(yīng)的兩條曲線，可知疲勞加載后的曲線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(nèi)，疲勞加載后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，這與輸入端端面振動幅度的減小比率也比較符合。

4結(jié) 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(jù)輸出顯示，測得壓電變壓器的諧振頻率為54．8 kHz。實驗結(jié)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的協(xié)調(diào)性變差外，還使得整體的振動速率下降，振動幅度變小，升壓比降低，約是疲勞前的85％左右。

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