本文將與大家分享，高壓放大器在多層壓(ya)電陶瓷變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)振動與疲(pi)勞(lao)研究中(zhong)的(de)應用，希望能對各位工程師有所幫助(zhu)與啟發。

　　壓電(dian)變(bian)壓器(qi)(qi)最早(zao)于(yu)1956年由(you)C．A．Rosen提(ti)出(chu)。20世(shi)紀80年代(dai)初(chu)，清華大學提(ti)出(chu)了多(duo)層(ceng)獨石(shi)化壓電(dian)變(bian)壓器(qi)(qi)的創意(yi)及概念(nian)，并在(zai)國際上(shang)最早(zao)開展(zhan)了多(duo)層(ceng)壓電(dian)變(bian)壓器(qi)(qi)的研究。由(you)于(yu)壓電(dian)變(bian)壓器(qi)(qi)升壓比高、電(dian)磁干擾小(xiao)、轉換效率高、體積小(xiao)、質量(liang)輕(qing)、輸出(chu)波形好等優(you)點(dian)，近年來在(zai)液晶顯示器(qi)(qi)背光電(dian)源、高壓臭氧(yang)發生(sheng)器(qi)(qi)、空(kong)氣(qi)清新器(qi)(qi)、雷達等領域(yu)中獲得了應用。

　　壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)是電(dian)(dian)(dian)(dian)場與振動場間相(xiang)互耦(ou)合的(de)(de)(de)諧(xie)振器(qi)(qi)件，在(zai)諧(xie)振狀態(tai)下(xia)，器(qi)(qi)件會因(yin)負載(zai)、使用環境、輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)、材(cai)(cai)料(liao)等(deng)因(yin)素，產生發熱、疲勞(lao)甚至(zhi)斷裂(lie)等(deng)問題(ti)。有關壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷材(cai)(cai)料(liao)疲勞(lao)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)較多，學者提出了一些疲勞(lao)機(ji)理(li)，目前廣為大家接受的(de)(de)(de)解釋主(zhu)要有疇夾持模型(xing)、電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)連接不合適以(yi)及(ji)(ji)內應力集(ji)中(zhong)。Zuo等(deng)人(ren)認為，在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)場的(de)(de)(de)作用下(xia)，由熱應力引起的(de)(de)(de)微裂(lie)紋(wen)將成為裂(lie)紋(wen)擴(kuo)展(zhan)的(de)(de)(de)根源。Ru等(deng)人(ren)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)表明，多層(ceng)陶(tao)瓷器(qi)(qi)件失效的(de)(de)(de)主(zhu)要機(ji)制(zhi)是電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與陶(tao)瓷材(cai)(cai)料(liao)之(zhi)間的(de)(de)(de)界(jie)面開裂(lie)以(yi)及(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)端部的(de)(de)(de)界(jie)面開裂(lie)。Gong等(deng)人(ren)通過非線性有限元法(fa)模擬(ni)了多層(ceng)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)件中(zhong)內電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)周圍的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)場分布，并(bing)發現在(zai)內電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)端部邊緣(yuan)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)場分布非常不均勻，因(yin)此(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)周圍的(de)(de)(de)陶(tao)瓷材(cai)(cai)料(liao)因(yin)鐵(tie)電(dian)(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)變(bian)或電(dian)(dian)(dian)(dian)致伸縮而(er)產生不協調(diao)變(bian)形(xing)，形(xing)成裂(lie)紋(wen)。為下(xia)一步深入(ru)研(yan)究(jiu)壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)微裂(lie)紋(wen)的(de)(de)(de)形(xing)成及(ji)(ji)擴(kuo)散機(ji)理(li)，本實驗研(yan)究(jiu)了壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)微振動及(ji)(ji)疲勞(lao)行為。采用激(ji)光掃(sao)描(miao)測(ce)振儀以(yi)及(ji)(ji)疲勞(lao)加載(zai)實驗測(ce)試壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)特性變(bian)化。

　　1壓(ya)電變壓(ya)器機理及結構

　　通(tong)過摻雜CdCO、SrCO?、ZnO或Li2CO?獲得壓(ya)電(dian)(dian)(dian)變壓(ya)器(qi)所(suo)用高性能低燒兼優的Pb(Mg?/?Nb?/?)O?．Pb(Ni?/?Nb?/?)O?一Pb(ZrTi)O?壓(ya)電(dian)(dian)(dian)材料。多層壓(ya)電(dian)(dian)(dian)變壓(ya)器(qi)的結構如圖1所(suo)示。器(qi)件(jian)內部有19層陶瓷介質(zhi)，外形尺寸約(yue)30mm8mmx3mm。輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)(dian)極在器(qi)件(jian)的中部，輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)極分布在器(qi)件(jian)的兩端(duan)。在交變輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)以及機(ji)電(dian)(dian)(dian)耦合系數k??和k??的作(zuo)用下，變壓(ya)器(qi)沿長度方(fang)向發生(sheng)(sheng)諧振。對于半波諧振，有一條節線出(chu)現(xian)在器(qi)件(jian)的中心位置(zhi)，對稱的振動使變壓(ya)器(qi)在兩端(duan)產生(sheng)(sheng)相同(tong)的輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，即(ji)升(sheng)壓(ya)比相同(tong)。

　　利用有限(xian)元(yuan)分(fen)(fen)析軟件，對(dui)多層壓電變壓器的振動模態進(jin)行了(le)理論計(ji)算與分(fen)(fen)析。分(fen)(fen)析采(cai)用的特性參數見表1。有限(xian)元(yuan)法獲得(de)變壓器半(ban)波諧振頻(pin)率約55kHz，全(quan)

　　波諧振頻率約(yue)110kHz。

　　2諧振(zhen)頻率的測(ce)試

　　精確測定(ding)(ding)多層壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器的(de)(de)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率主要包括兩個方法(fa)：用PolytecOFV056測振(zhen)掃(sao)描(miao)探頭對樣(yang)(yang)品(pin)在一定(ding)(ding)頻(pin)率范圍掃(sao)描(miao)，獲得(de)(de)樣(yang)(yang)品(pin)在激光入射方向上樣(yang)(yang)品(pin)表面各點的(de)(de)振(zhen)動速(su)度與(yu)位移；用信號發生器與(yu)示波器配(pei)合，觀測輸出電(dian)壓(ya)，最終測得(de)(de)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率。

　　選擇掃(sao)頻(pin)模式(FFT)鋇IJ試樣(yang)品(pin)表面的振動，得到振動速率對頻(pin)率的曲(qu)線，如圖(tu)2所(suo)示(shi)。樣(yang)品(pin)在55．7kHz出(chu)現(xian)了明(ming)顯的峰值，表明(ming)樣(yang)品(pin)在該(gai)頻(pin)率發生諧振，結(jie)合(he)有(you)限元分(fen)析結(jie)果(guo)，可(ke)以確定(ding)在55．7kHz頻(pin)率處于半波諧振模態。

　　根(gen)據諧振(zhen)原(yuan)理，當壓(ya)(ya)電變壓(ya)(ya)器處(chu)于諧振(zhen)時(shi)，其振(zhen)動最為(wei)強烈(lie)，升壓(ya)(ya)比達到(dao)局(ju)部(bu)極(ji)大值。因此，控制輸(shu)入信(xin)號(hao)的波形和電壓(ya)(ya)幅值不變，改變輸(shu)入信(xin)號(hao)的頻率(lv)，通(tong)過(guo)觀察輸(shu)出(chu)電壓(ya)(ya)幅值的變化，可以更(geng)精(jing)確地(di)測(ce)定樣品的諧振(zhen)頻率(lv)。實驗裝置見圖(tu)3。其中，信(xin)號(hao)發生器為(wei)DF1692型多功(gong)能任意(yi)波形發生器，變壓(ya)(ya)器專用功(gong)率(lv)放大器為(wei)KH-1A型寬帶功(gong)率(lv)放大器，示(shi)波器為(wei)TDS5054數字熒光顯示(shi)示(shi)波器，R1代(dai)表94kΩ的水(shui)泥電阻負載，R代(dai)表4kΩ的串聯小(xiao)電阻。

　　信號發生器輸出(chu)正弦(xian)波形(xing)，實際輸入電(dian)壓峰(feng)峰(feng)值(zhi)約10V。在(zai)粗(cu)測諧振頻率(lv)55kHz附(fu)近(jin)微調頻率(lv)，測量串聯小電(dian)阻(zu)兩端的輸出(chu)電(dian)壓，如圖4。輸出(chu)電(dian)壓的極大值(zhi)出(chu)現在(zai)54．8kHz處，此為樣(yang)品的實際諧振頻率(lv)。

　　3疲勞加載實驗

　　疲勞加(jia)載實驗條件：輸入信號(hao)的波(bo)形為(wei)(wei)正(zheng)弦波(bo)，頻率(lv)為(wei)(wei)半波(bo)諧振頻率(lv)54．8kHz，電(dian)壓峰峰值為(wei)(wei)30V(實際工作電(dian)壓在12V以下)。輸出負載為(wei)(wei)94kΩ無感電(dian)阻。設置循環加(jia)載次數為(wei)(wei)109次，即連續振動約(yue)5h。

　　3.1諧(xie)振頻率的漂移

　　由(you)于疲勞(lao)加載可能會(hui)導致(zhi)諧(xie)振頻率的改變，因此在各(ge)項對(dui)比分(fen)析之前，首先需要(yao)重新精確測定變壓器(qi)樣(yang)品(pin)(pin)的半波諧(xie)振頻率。用示波器(qi)觀(guan)察疲勞(lao)加載后變壓器(qi)樣(yang)品(pin)(pin)的輸出電(dian)壓，確定疲勞(lao)后諧(xie)振頻率為55．6kHz，與(yu)疲勞(lao)加載前的諧(xie)振頻率54．8kHz比，相對(dui)漂移(yi)量約1.5％。

　　3.2諧振模(mo)態振動(dong)的(de)衰退

　　使(shi)用激(ji)光測(ce)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)儀，在(zai)定(ding)頻模式測(ce)得(de)疲(pi)勞加載(zai)后變(bian)壓(ya)器樣品在(zai)一個振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)周期里的(de)圖(tu)像。圖(tu)5a中(zhong)(zhong)，各測(ce)量(liang)(liang)點(dian)(dian)的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)相(xiang)位比(bi)較一致，說明在(zai)疲(pi)勞加載(zai)前(qian)，變(bian)壓(ya)器樣品長度方向上(shang)(shang)的(de)形變(bian)十(shi)分協調：圖(tu)5b中(zhong)(zhong)，各測(ce)量(liang)(liang)點(dian)(dian)的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)有(you)(you)些(xie)雜亂，這說明在(zai)疲(pi)勞加載(zai)后樣品振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)有(you)(you)些(xie)不穩(wen)定(ding)。從(cong)直觀上(shang)(shang)可以(yi)判(pan)斷，疲(pi)勞加載(zai)使(shi)得(de)變(bian)壓(ya)器樣品的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)表現有(you)(you)所(suo)衰(shuai)退。定(ding)量(liang)(liang)分析上(shang)(shang)，圖(tu)5a中(zhong)(zhong)顯示輸出端端部的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)速率在(zai)300μm／s左(zuo)右，而圖(tu)5b中(zhong)(zhong)僅在(zai)100μm／s左(zuo)右。由(you)此表明，疲(pi)勞加載(zai)除了使(shi)多層壓(ya)電變(bian)壓(ya)器的(de)形變(bian)與振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)的(de)協調性變(bian)差外，還(huan)使(shi)得(de)整體的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)速率下降，振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)幅度變(bian)小。

　　輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)信號的(de)頻(pin)率(lv)固(gu)定在樣品(pin)的(de)半波諧振頻(pin)率(lv)54.8kHz處，改變(bian)輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)信號的(de)電(dian)(dian)壓(ya)幅(fu)(fu)值，測得輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)端端部振幅(fu)(fu)Ai對輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)信號電(dian)(dian)壓(ya)峰(feng)峰(feng)值VP-P的(de)曲線，如圖6所(suo)示。在輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)電(dian)(dian)壓(ya)小于(yu)4V時，變(bian)壓(ya)器輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)端振幅(fu)(fu)與輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)電(dian)(dian)壓(ya)呈現線性(xing)關系；當(dang)電(dian)(dian)壓(ya)大于(yu)4V后，進入(ru)(ru)非線性(xing)區；大于(yu)10V后，振幅(fu)(fu)逐漸趨于(yu)飽和。

　　同時，疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)后的輸入(ru)端振(zhen)幅平均比疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)前減少超(chao)過10％，且疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)后的曲線不穩(wen)定。這(zhe)說明109次的循(xun)環加載引起了變壓器樣品(pin)的部分疲(pi)(pi)勞(lao)(lao)，樣品(pin)的端部及整體的振(zhen)動幅度和速率(lv)都減小了約10％。但輸入(ru)電(dian)壓小于4V時，輸入(ru)端振(zhen)幅與輸入(ru)電(dian)壓的線性(xing)關系較好。

　　3.3疲(pi)勞加載前后輸入輸出特(te)性的對比

　　由于(yu)(yu)負載(zai)對(dui)輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)特性的顯(xian)(xian)著影響，測試需要(yao)在不同的負載(zai)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)下重復數次，結果見圖7。當(dang)輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)峰(feng)(feng)峰(feng)(feng)值小于(yu)(yu)20V時(shi)，在4個負載(zai)阻(zu)(zu)值下，輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)與輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)都保持了較好的線性關(guan)系(xi)。當(dang)負載(zai)的阻(zu)(zu)值小于(yu)(yu)110kΩ時(shi)，在10v至U60V的整個電(dian)(dian)(dian)壓(ya)峰(feng)(feng)峰(feng)(feng)值的范圍內，輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)都隨(sui)輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)的增加而線性增加；當(dang)負載(zai)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)大于(yu)(yu)160kΩ時(shi)，輸(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)在輸(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)峰(feng)(feng)峰(feng)(feng)值大于(yu)(yu)20v起逐漸顯(xian)(xian)示(shi)出(chu)(chu)非線性。

　　根據(ju)圖7中(zhong)負載電(dian)阻87kΩ對(dui)應的兩條曲線，可知疲勞(lao)(lao)加載后的曲線絕(jue)大部分(fen)低于疲勞(lao)(lao)加載前的，即(ji)在10～60V的輸入電(dian)壓(ya)(ya)峰峰值范圍內，疲勞(lao)(lao)加載后變壓(ya)(ya)器(qi)樣品的升壓(ya)(ya)比總體來看(kan)是(shi)降低了，約是(shi)疲勞(lao)(lao)前的85％左右，這(zhe)與輸入端端面振動幅度的減小比率(lv)也比較符合。

　　4結論

　　1)有限(xian)元法(fa)獲得變壓器半波諧振頻率約55kHz，全(quan)波諧振頻率約110kHz。

　　2)激光測(ce)振儀測(ce)得壓(ya)電(dian)變壓(ya)器半波諧振頻率(lv)為55．7kHz；信(xin)號發生(sheng)器與示波器配合，根(gen)據輸出顯示，測(ce)得壓(ya)電(dian)變壓(ya)器的諧振頻率(lv)為54．8kHz。實驗結果與有限元計(ji)算基本一致。

　　3)疲(pi)(pi)勞加載除(chu)了使(shi)多層壓電變(bian)壓器(qi)的形變(bian)與(yu)振動(dong)的協調性(xing)變(bian)差外，還使(shi)得整體的振動(dong)速率(lv)下降(jiang)，振動(dong)幅度(du)變(bian)小，升(sheng)壓比(bi)降(jiang)低，約是疲(pi)(pi)勞前的85％左(zuo)右。

　　ATA-2021B高壓放大器

　　帶寬：（-3dB）DC~1MHz

　　電壓：200Vp-p（±100Vp）

　　電流(liu)：500mAp

　　功率：50Wp

　　壓擺率：≥445V/us

　　可程控

　　內容來源：

　　作者：褚祥誠(cheng)，鄔軍飛，徐之涵，李龍(long)土

　　(清華(hua)大學新型陶瓷與精(jing)細工(gong)藝國家重點實驗室，北京(jing)100084)

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