推薦使用:GDPT-900A型變溫壓電測(cè)試系統(tǒng),ZJ-3型靜壓電測(cè)試系統(tǒng)
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(guó)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(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(dá)等領(lǐng)域中獲得了應(yīng)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(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(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(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(chǎng)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部的界面開裂。Gong等人通過(guò)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(chǎng)分布,并發(fā)現(xiàn)在內(nèi)電部邊緣的電場(chǎng)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(cè)振儀以及 疲勞加載實(shí)驗(yàn)測(cè)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(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(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(zhǎng)度方向發(fā)生諧振。對(duì)于半波諧振,有一條節(jié)線出現(xiàn)在器件的中心位置,對(duì)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(hào)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(cè)諧振頻率55 kHz附近微調(diào)頻率,測(cè)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(hào)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(wú)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(huì)導(dǎo)致諧振頻率的改變,因此在各項(xiàng)對(duì)比分析之前,首先需要重新精確測(cè)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(duì)漂移量約1.5%。
3.2 諧振模態(tài)振動(dòng)的衰退
使用激光測(cè)振儀,在定頻模式測(cè)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(cè)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(zhǎng)度方向上的形變十分協(xié)調(diào):圖5b中,各測(cè)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(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(hào)的頻率固定在樣品的半波諧振頻率54.8kHz處,改變輸入信號(hào)的電壓幅值,測(cè)得輸入端端部振幅Ai對(duì)輸入信號(hào)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(cè)振儀測(cè)得壓電變壓器半波諧振頻率為55.7kHz;信號(hào)發(fā)生器與示波器配合,根據(jù)輸出顯示,測(cè)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 。
我們專業(yè)提供功能材料測(cè)試設(shè)備及測(cè)試服務(wù):
二、壓電材料制樣設(shè)備:PZT-JH10/4型壓電陶瓷極化裝置,PZT-JH20/1型粉末極化裝置,PZT-JH30/3型壓電陶瓷及薄膜綜合極化裝置,ZJ-D33-YP15型壓片機(jī)
三、介電材料測(cè)試裝置:GWJDN-600型四通道高溫介電測(cè)試儀,GWJDN-1000型四通道高溫介電測(cè)試儀
四:鐵電材料測(cè)測(cè)試儀:ZT-4A鐵電測(cè)試儀 ,FE-5000型變溫鐵電測(cè)試系統(tǒng),ECM -150型電卡效應(yīng)測(cè)試系,DCD-100型儲(chǔ)能電介質(zhì)充放電測(cè)試系統(tǒng),
五、BKTEM-Dx熱電材料性能測(cè)試儀
高溫功能材料測(cè)試設(shè)備:
GDPT-900A型高溫D33測(cè)試系統(tǒng),GWJDN-1000型四通道高低溫介電測(cè)試儀,HTRT-1000型導(dǎo)電材料高溫電阻率測(cè)試儀,JGWDZ-1000型金屬高溫電阻測(cè)量系統(tǒng),BWGP-2000型變溫光譜測(cè)試系統(tǒng)(高低溫光譜系統(tǒng)),FSR-600材料高溫雙波段發(fā)射率測(cè)量系統(tǒng),TSDC/TSC--400型熱激勵(lì)去極化電流測(cè)量系統(tǒng),GWTF-300高溫鐵電材料測(cè)量系統(tǒng) ,HTGSRM-1000型高溫氣敏材料測(cè)量系統(tǒng),PTC/NTC-500高溫?zé)崦綦娮璨牧蠀?shù)測(cè)量分析系統(tǒng),HTRS-1000型高溫半導(dǎo)體材料電阻率測(cè)試儀,PRPM-1000熱釋電系數(shù)高溫測(cè)試系統(tǒng),HTRC-600型高溫導(dǎo)電材料電阻率測(cè)試系統(tǒng),