当前位置：文档之家 › 压电双晶片双向大幅振动的探讨

压电双晶片双向大幅振动的探讨

  • 格式：pdf
  • 大小：130.86 KB
  • 文档页数：3

　卷(Volume)23,期(Number)3,总(Total)93矿物岩石　　页(Pages)114-116,2003,9,(Sept,2003)JMINERALPETROL　

压电双晶片双向大幅振动的探讨康　东成都理工大学应用核技术与自动化工程学院自动化系,四川成都　610059

【摘　要】　通过压电陶瓷的逆压电效应对压电陶瓷双晶片在自动生产送料线上的应用研究,得出在二元系Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3的基础上作调整制作的压电双晶片。经运用在振动料斗上,作调频调幅控制。达到了压电双晶片振子结构,振子谐振频率为300Hz,当外加电压达300V时,振子偏转位移量大于1.7mm,故可作为一种理想的振动源。

【关键词】　压电陶瓷;双晶片;振动料斗中图分类号:TB321 文献标识码:A文章编号:1001-6872(2003)03-0114-03

收稿日期:2003-04-23;　改回日期:2003-07-19基金项目:国家重点科技攻关项目作者简介:康　东,男,40岁,讲师,机械电子工程专业,研究方向:电子材料.

0　引　言压电双晶片的压电效应是一种机电耦合效应,是机械能和电能之间的转换。利用压电陶瓷的逆压电效应来推动机械装置的压电双晶片是近年来自动生产装置上的一个新的发展方向[1]。振动料斗是自动生产线上用作送料的主要设备,多年来在国内作振动料斗的振动源主要是电磁铁。这样长期存在高噪声、高能耗、低送料效率、电磁干扰强且安装调整控制都比较困难。近年来在承担了国家科技攻关项目中的高速自动输送线,要求设计送料时速在240个/分以上,采用电磁铁作振动料斗的振动源已不能达到设计要求,必须采用压电双晶片作功率器件才能满足要求。可压电双晶片用在振动料斗上国内当时还没有这方面的尝试,国外已经有较好的应用,如日本西铁成压电振动料斗。但其主要功率器件压电双晶片当时国内还没有这种既能承受大负荷、高强度、振动频率调节范围广、且有一定的工作环境要求,又要作双向大幅摆动、工作时陶瓷块不能脆裂的压电陶瓷振动块。在与电子科技大学、电子工业部40所合作,制作了这种新种新型功率器件应用在高速输送的振动料斗送料装置上,得到了满意的效果,并成为压电料斗,这也是国内首先尝试。这样的振动料斗可以达到高速,平稳,低噪声,能耗少,且在不用改变振动料斗的参数情况下,通过调频、调幅控制电源就能达到满意的效果。由于它体积小,结构简单,便于安装使用,无电磁干扰,机电耦合系数较高等优点,正逐步被应用在其他应用领域。

1　压电陶瓷材料压电陶瓷是指能把电能转换成机械能或把机械能转换成电能,亦即具有“压电效应”的陶瓷材料。其典型材料和组成有PZT,PT,LNN和(PbBa)NaNb5O15

等。按晶体结构,压电陶瓷可分为钙钛矿

型、钨青矿石型、焦绿石型和含铋矿层结构等几种。压电陶瓷除介电性能要求以外,主要是压电性能的要求,压电性能要求可通过机械品质因素、机电耦合系数、弹性系数、压电常数等性能参数来反映,主要应用于无线电技术领域中,如超声波换能器、谐振器、压电点火、压电电动机等[2～3]。不同用途的压电器件,对压电材料性能的要求也不同,用做振动器压电双晶片的压电材料则要求其频率稳定性好,有较大的机电耦合系数,较大的压电常数和介电常数。它们可以是三元系和四元系的压电陶瓷材料,如Pb(MnV3Sb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(Sn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3[4]。所以通过在二元系Pb(Ni1/3,Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3的基础上引入铋和锌原子,通过适当调整并选出最佳配方做成压电陶瓷双晶片,它具有灵敏度高,响应好,具有强压电效应。驱动后能产生±2mm的位移。由于里面夹着金属片能纵向承载料斗上面的重量,工作时不至于引起陶瓷脆裂。

2　压电双晶片的结构和工作原理压电双晶片的换能器是用铌镍锆钛酸铅为主要成分的固熔体陶瓷片做成的,换能器的两面形成电极,极化方向与电极垂直,如果在换能器的电极间加上电压,由于逆压电效应,则换能器的振子便会在长度方向产生位移。将两块压电换能器按一定的极性要求粘贴在薄金属片的两面,就制成压电双晶片振子。采用多层双晶片结构,是把几层厚度相同的压电换能器,叠合成叠层体,并在电气上并联和机械上串联构成,加上电场时在长度方向伸长,它的总位移量为每层位移量的几倍。这种结构不但推力很大,而且因有机械增益,它们的位移量都大于块体的涨缩位移,所以有较大的偏转位移。其结构和施加电压方向如图1所示。

图1　压电双晶片的结构Fig.1　Thestructureofpiezoelectricduplexcrystal 当施加电压的方向与极化方向相同时,压电陶瓷换能器则伸长,反之,则收缩。根据压电换能器的极化方向,适当粘贴换能器和施加电压的方向,即可得到我们所需要偏转位移的压电双晶片振子。如图1所示的施加电压方向,压电双晶片的自由端将向B方向偏转;如果施加电压的方向相反,则自由端将向A偏转[3]。压电双晶片在振动料斗中的安装形式是一端固定,一端自由的悬臂夹层梁,其振动位移如图2所示。 双晶片的电场分布是均匀的,且垂直于长度。此

图2　双晶片偏转位移示意图Fig.2　Sketchmapofdeflectiondisplacementofvibra-tor时在交变正弦波电压控制下,产生一个激振力按简谐运动规律做周期变化。V=V0sinXt这时激振力使梁的末端产生位移:

x=4lt24l2d31V上式中:x.双晶片末端产生的位移;X.激振角频率;V0.激振电压幅值;t.时间;l.双晶片悬臂长度;d31.压电材料的压电常数;V.所施加的电压;lt.压电双晶片长度。由此可见,改变压电换能器的几何尺寸,可改变双晶片的偏转位移,同时,选择压电系数大的压电材料,增大驱动电压均可得到较大的偏位移。另外,值得注意的是:压电换能器在长度方向的伸缩将受到中间金属片的限制,如果金属片和压电陶瓷的线膨胀系数不一致时,由于温度的变化,双晶片将产生偏转。因此,必须选择特殊材料形状的金属片,而且金属片和压电陶瓷的线膨胀系数要尽量保持一致,以便增大压电双晶片的偏转位移,并消除因温度变化而产生的偏转位移,认为应选用恒弹性合金钢材来制作[5],此时激振力的最大值可由下式求得:

F=3lwlt516l5d31YV式中:Y.双晶片的杨氏模量;lw.压电双晶片宽度。根据振动料斗振动方程:mZ+TZ+KZ=FsinXt通过解非齐次二阶常数线性方程,其有用的部分应在Z=Asin(Xt-H)以圆频率为X的等幅振动部分。由激振动力引起的强迫振动振幅

A=As(1-r2)2+Ay2D2,As=3lt2d31VAl2

式中:y.频率比,D.阻尼比,As.调频调幅控制下双晶片产生的振动幅值。由此可见,在交变电压控制下,压电双晶片使振动料斗作强迫振动,其振幅可调。在振幅和频率比确定的情况下,控制电源幅值:

Vi≈4l2A3lwLt5Yd31(YlXlt3-Al3mX2)

115　第23卷　第3期康　东:压电双晶片双向大幅振动的探讨X=V[ylwlt3/(Al3m)]1/2

由此可见,控制电源的频率和幅度即可确定料斗的最佳工作状态。调频、调幅,能使振动料斗达到工件输送快、振动平稳、噪声很小、效率高、功率消耗小的输送最佳工作状态[5]。3　压电双晶片性能测试及应用先后用不同的压电材料制作了数块压电双晶片图3　压电双晶片偏转位移随外加电压变化曲线Fig.3　Correlutisnofdeflertiondis-placementvsinpartvoltageoftheduplexorystal振子,并测试后发现,振子偏转位移差异较大。当外加电压为270V时,压电双晶片振子偏转位移最大的只有1mm。最后,我们采用铌镍锡钛酸铅压电材料制作压电双晶片。由于该材料具有大的压电常数,因而,双晶片振子的偏转位移比前几个振子的偏转位移都大。当外加电压为270V时,振子偏转位移大于1.5mm;当电压为300V时,偏转位移大于1.6mm。从图3所示实测曲线可见,压电双晶片偏转位移与附加电压不是完全的线性关系,而是略微向上偏斜的直线,同时显示出较大的滞后。这除了压电材料蠕变现象和滞后特性外,电制伸缩效应也起了作用。另外,若反复给压电双晶片施加压电时,自由端的位移量在相同电压下均要比前次稍有增加,这种差别随着重复施加次数的增加会逐渐减少,但不能完全消失。同时,延长施加电压的时间也会导致偏转位移量的增加,滞后幅度也略有增加。压电双晶片作为驱动器最大的缺点是:工作电压与位移呈现较大的滞后曲线现象,但是这并不影响它作为振动料斗的驱动器的应用。压电双晶片主要靠电场电压工作,由于绝缘性很好,基本无电流通过,且使用交流正弦波电源作为控制信号。因此它工作环境好,无污染。并且除了具备大位移振动,推力大,工作温度稳定性好也是它的特性。所采用的压电双晶片d31高达0.826以上,这比电磁振动料斗的控制电源所需功率(相同料斗直径负载下)要少得多,效率很高且振动频率快(电磁铁的通常是50Hz,而压电的则可达300Hz左右),所以说是适合高速自动流水线上的理想的一种新型高速输送振动料斗。参考文献[1]　李远.压电与铁电材料的测量[M].北京:科学出版社,1994.[2]　栾桂冬,张金铎,王仁乾.压电换能器和换能器阵[M].北京:北京大学出版社,1990.[3]　季文美,方同,陈松淇.机械振动[M].北京:科学出版社1983.[4]　陈大任.晶体结构对压电陶瓷微位移驱动器特性的影响[J].功能材料与器件学报,1997,4.[5]　康东.关于用在振动料斗的压电陶瓷块的研究[J].四川工业学院学报,2001,6.

APPROACHOFPIEZOELECTRICDUPLEXCRYSTALUSEDINTWO-WAYVIBRATING

KANGDongChengduUniversityofTechnologyCollegeofAppliedNuclearTechnologyand AutomationEngineering,Chengdu　610059,China

Abstract:　Theauthorshasdonesomeresearchontheapplicationoftheconversepiezoelectriceffectofpiezoelectricityceramicduplexcystaltotheautomationproductionconveyerlineandpre-sentedanovelapproachtomakepiezoelectricitypotterduplexcrystalwithbinarysystemPb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3.Subsequently,thevibrationhopperwasusedtocontrolthefrequency

合集下载

一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计

一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计

一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计张倩昀;梁国凯;梁朝芳【摘要】,从悬臂梁式压电能量收集器结构设计和能量收集电路设计两方面出发,介绍了一种基于悬臂梁式压电双晶片的能量收集器设计.结构设计上,选用矩形结构悬臂梁式基板和矩形结构压电片的组合方式.压电双晶片采用并联连接,共同构成了压电能量收集器结构.从电路设计上,通过四倍增压电路对压电陶瓷片上因振动产生的交流电压进行整流、滤波和升压,并采用芯片Max1811高集成度电池充电器对所得直流电进行存储,获得了可为发光二极管供电的直流电压.电路分析与实验测试表明,设计的能量收集器能够实现对外界振动能量的收集.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2018(035)006【总页数】3页(P90-92)【关键词】压电陶瓷;悬臂梁;能量收集;Max1811【作者】张倩昀;梁国凯;梁朝芳【作者单位】西安航空学院电子工程学院,陕西西安 710077;西安航空学院电子工程学院,陕西西安 710077;中航工业西安飞机工业有限责任公司,陕西西安710089【正文语种】中文0 引言社会发展应以能源应用为前提。

生活中，振动无处不在。

一方面周围环境振动会在结构上造成损伤，缩短结构使用寿命；另一方面，振动会对环境带来噪声污染。

如果可以将这些振动能量收集起来转换为电能并采集利用，不但能够减少结构损伤，降低结构推护成本，而且可以降低噪声。

因此，对振动能量的采集是人们需要关注和解决的问题。

振动能量的采集通常有三种方式：电磁式[1-3]、静电式[4-5]和压电式[6-10]。

电磁式技术较成熟，能量转换效率较高，但其机构复杂、体积较大。

静电式可方便与微机电系统结合，但产生的电能很难实现器件商业化。

压电式原理是基于压电效应，即压电材料在外力作用下产生电荷。

近年来，压电能量采集技术受到了广泛关注。

作为长期甚至无限生命周期的自主供电系统，压电能量收集器在一些不便更换电池或者希望避免电池更换场合具有广阔的发展空间。

电机振动故障机理分析探讨（DEMO）

电机振动故障机理分析探讨（DEMO）

电机振动故障机理分析探讨（DEMO）电机振动故障机理的探讨⼀、引⾔电机的电⽓振动故障分析⽬前从理论上和实践中都是⽐较成熟的，有着不少成功的例证。

但从电机故障分析⼯作过程反映，电机的⼀些机械影响因素也会产⽣与理论上的电⽓故障现象相同或相近的特征。

另外，空⽓动⼒噪声也容易使⼈误认为存在电⽓问题。

⼆、故障机理分析⼏个常⽤术语线频L f = 50 Hz (电⽹频率、电源频率)电级通过频率p f = 电级数p×转差频率s f = 2S L f (⼀般0.3∽2 Hz；电极数越⼤，p f 值亦越⼤)转差频率s f = ( 同步转速－异步转速)/ 60 (Hz)L f –电源频率Hz; p－电级数（电级对数为p/2）转⼦条通过频率＝线槽频率＝转⼦条数k×RPM/60（Hz）转⼦条数＝转⼦极数＋转速差同步转速n =60×L f /( p/2) （RPM）同步频率（旋转磁场转速）L f /( p/2) （Hz）转⼦转速1n RPM）转⼦的速度频率为( 1 –S ) L f / ( p/2)转差率S =（n－1n ）/ n（⼀）定⼦异常产⽣的电磁振动原因及故障特征：电机磁场是以同步速度n 在旋转，则其磁场交变频率与电⽹频率相同为L f 。

定⼦电磁振动频率为旋转磁场频率L f /( p/2)和电磁动⼒级数p 的乘积2L f , 也就是2倍的电源频率。

1.径向振动存在2L f 分量，表明有⽓隙偏⼼、相间电流不平衡、绕组断路或铁⼼松动。

2.径向振动存在线槽频率k L f 分量，表明存在⽓隙偏⼼故障。

3.磁⼒中⼼不正常时与上述相同，再加上频率为2L f 的轴向振动⼤。

2 L f ±f 频率成分的振动⼤。

4.没有转⼦故障时，轴向振动⼩。

5.切断电源，电磁振动⽴即消失；6.缺相问题1)电⽓接线松动或断裂会导致缺相问题，产⽣较⾼的2L f 的振动，并伴有L f 31的边频带。

2)这种故障产⽣的2L f 的振动可超过25mm/s，若导线接触时好时坏则问题变得更加严重。

单-双晶片压电换能器发电能力仿真分析与实验研究

单-双晶片压电换能器发电能力仿真分析与实验研究

机械研究与应用 • 2021年第4期（第34卷，总第174期）

电力与装备

doi：10.16576/j.cnki.1007-4414.2021.04.031

单-双晶片压电换能器发电能力仿真分析与实验研究

侯跃谦，朱金志，田晓超

,孙禹泽

，王海刚，王志聪，王虎

(长春大学机械与车辆工程学院，

吉林长春130022)

摘要:为分析单晶片与双晶片压电换能器发电能力的强弱，设计了单-双晶片压电换能器发电实验装置。首先对装

置结构设计和工作原理进行了说明，采用悬臂梁支撑方式进行发电，对单-双晶片换能器进行了仿真分析，得出了换

能器工作的形态以及最佳发电频率；然后对系统进行了单-双晶片换能器实验对比测试，分析了驱动频率与激励振幅

对单-双晶片换能器发电能力的影响规律并进行了对比分析。实验结果表明，单

-双换能器在共振频率状态下发电能

力效果最佳，发电量随激励振幅和驱动电压的增大而增大，双晶片换能器发电能力要优于单晶片换能器，为压电材料 发电提供了理论依据和技术参考。

关键词：压电换能器

；

悬臂梁；

压电俘能

中图分类号：

TM40 文献标志码：A 文章编号：1007-4414(2021)04-0109-03

Simulation Analysis and Experimental Study on Power Generation Capability

of

Single-Double Wafer Piezoelectric

Transducer

HOU Yue-qian

, ZHU Jin-zhi, TIAN Xiao-chao, SUN

Yu-zen

,

WANG Hai -gang , WANG Zhi-cong, WANG Hu

(School of Mechanical and Vehicle Engineering, Changchun University, Changchun Jilin 130022, China)

Abstract: In order to analyze the power generation capacity of the single-chip and bimorph piezoelectric transducers, an ex­

浅谈压电智能材料在结构减振控制中的应用

浅谈压电智能材料在结构减振控制中的应用

研究探讨 Research300 浅谈压电智能材料在结构减振控制中的应用邓尚久（湖北建艺风工程设计有限公司， 湖北 荆州 434000）中图分类号：G322 文献标识码：A 文章编号1007-6344（2020）04-0300-01摘要：近年来随着我国建筑行业的飞速发展，各种建筑结构逐渐向大型化、低刚度的柔性结构发展，而柔性结构在外界荷载作用下会产生较大幅度的振动，严重影响结构的正常使用功能。

为此，本文介绍了各种压电材料分类特点、基本工作原理、压电方程以及压电材料在结构减振控制中的减振方法，并回顾了目前压电智能材料在减振控制中的应用现状。

关键词：压电材料；压电方程；减振控制方法0 引言压电材料是一种新型的智能材料，它具有正、逆压电效应，即在受到外界荷载激励时会在材料表面会形成正负相反的电荷，电荷量的大小与外界施加激励成正比，当外界激励消失时，材料又处于不带电状态。

基于压电材料独特的正逆压电效应，将其作为传感器与作动器，直接布置在结构表面进行振动控制，缩减了振动控制时的中间环节，从而大幅提高控制效率。

1 压电材料的分类及特点从压电材料被发现以来，其种类也得到了极大地丰富。

目前主要包括压电陶瓷、压电单晶、压电聚合物、压电纤维复合材料等。

其中压电陶瓷与压电纤维复合材料作为两种重要的智能控制材料在振动控制中得到了越来越多的应用。

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，1954年B·Jaffe 等人发现了具有良好的压电性能锆钛酸铅固溶体（PZT），由于其加工方便、价格低廉、灵敏度高、响应速度快等优点的被广泛的应用于大功率换能器、宽带滤波器和各类压电传感器[1]。

目前国内外利用压电陶瓷（PZT）进行减振控制方面的研究也已取得较为丰富的成果[2-3.]。

压电纤维复合材料是1996年由美国国家航空在基于复合材料的原理制作而成，因其压电性能好，柔韧性高被广泛地应用于结构振动控制、结构健康监测等领域。

Fiore 和Daniel 等将压电纤维复合材料用于单层和双层复合材料板的振动主动控制模拟实验上，结果表明压电纤维复合材料对结构振动有较明显的减振效果；Agrawal 和Brij 等利用压电纤维复合材料的压电效应，对船体的弯曲振动进行了主动控制，结果表明，压电复合材料能较好的减小船体的弯曲振动。