發(fā)布時間：2020-11-09 12:52

　　 隨著微機電系統(tǒng)和納米科學技術(shù)的飛速發(fā)展,作為微納米運動平臺或系統(tǒng)主要組成部分的微智能驅(qū)動器、柔順機構(gòu)、超/高精度傳感器以及高性能控制器,在行程、功能、精度、運動特性及智能化等方面都已得到了極大提升,從而成就了其在高端裝備制造、生物醫(yī)學、光學通訊、航空航天等高科技產(chǎn)業(yè)以及交叉學科前沿領(lǐng)域的戰(zhàn)略性主導地位。然而,由于以往所采用疊堆型壓電陶瓷驅(qū)動器或音圈電機與柔性機構(gòu)構(gòu)成的微納米運動平臺或系統(tǒng),多存在整體結(jié)構(gòu)尺寸大、加工及部件成本高、行程小、裝配誤差大等缺點,因而極大地限制了其在超/高精密加工、超分辨顯微生物醫(yī)學成像、微/納米操作、空間光通訊、遙感與測量等更具苛刻精度、性能要求技術(shù)與裝備領(lǐng)域的發(fā)展和應用。針對以上諸多限制,本文提出并設計了一種由壓電(陶瓷)晶片驅(qū)動器驅(qū)動的三自由度一體化全柔性薄板型微動平臺(簡稱三自由度柔性壓電晶片微動平臺),以滿足多學科多領(lǐng)域前沿科技對微納機電系統(tǒng)提出的更小尺寸、更低成本、更大行程等要求。尤其,為傳統(tǒng)柔順微動平臺、微/納操作臺以及快速轉(zhuǎn)向反射鏡等微納米運動平臺或系統(tǒng)在精密工程領(lǐng)域中的諸多應用限制場景,提供了可行有效的方案。并重點研究了壓電晶片驅(qū)動器如何通過與能量(如電能和熱能)之間的復雜、精準的耦合作用實現(xiàn)柔性壓電微動平臺優(yōu)良靜/動態(tài)特性的科學規(guī)律。具體主要研究內(nèi)容如下:首先,同時考慮了電場和溫度場變化引起的熱-壓電(參數(shù))耦合對單/雙層壓電晶片驅(qū)動器外部彎曲特性的影響,以及微驅(qū)動器彎曲時橫向變形對內(nèi)部應力應變分布和中性面位置的影響,進而基于歐拉伯努利梁理論,分別建立了其在熱/電載荷及熱電載荷復合作用下的靜力學撓度輸出改進模型和熱-壓電耦合撓度輸出改進模型,并進行了仿真和實驗驗證。此外,研究了結(jié)構(gòu)尺寸變化對單/雙層壓電晶片驅(qū)動器輸出特性的影響,并求得了單層壓電晶片驅(qū)動器的等效慣性矩,確定了其最大端部撓度輸出時的最優(yōu)厚度比,從而為壓電晶片驅(qū)動器的優(yōu)化設計和分析提供了理論支持和依據(jù)。其次,提出了一種由壓電晶片驅(qū)動器驅(qū)動且具有更小尺寸、更低成本、更大行程等優(yōu)點的三自由度一體化全柔性薄板型微動平臺,并基于柔度矩陣法,建立了包含其各組成單元結(jié)構(gòu)尺寸及分布位置尺寸參數(shù)的熱-壓電-力耦合靜力學輸出模型。同時,采用2個四象限位置敏感探測器實現(xiàn)了該柔性壓電晶片微動平臺的三自由度位姿輸出量檢測,并分別進行了其在熱/電載荷及熱電載荷復合作用下的仿真和實驗,驗證了所建立的熱-壓電-力耦合靜力學輸出模型的有效性和準確性。此外,研究了結(jié)構(gòu)尺寸變化對柔性壓電晶片微動平臺輸出行程和固有頻率的影響,并確定了該微動平臺中心點在限制電壓下的三自由度運動范圍,從而為此類一體化全柔性薄板型微動平臺的設計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)和指導。再次,分析了三自由度柔性壓電晶片微動平臺在微納米運動過程中的內(nèi)部熱-壓電-力耦合影響,確定了其內(nèi)部各壓電晶片驅(qū)動器等效形變量與微動平臺位姿輸出量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,并將該具有分布參數(shù)特點的柔性壓電晶片微動平臺等效為三自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼集中參數(shù)系統(tǒng)模型,進而基于拉格朗日第二類方程,建立了該三自由度柔性壓電晶片微動平臺在熱電復合場下的熱-壓電-力耦合動力學模型。同樣,通過仿真和實驗驗證了所建立動力學模型的有效性和準確性,從而為基于系統(tǒng)數(shù)學模型的反饋控制方法研究提供了可用的理論模型。最后,基于已建立的單層壓電晶片驅(qū)動器熱-壓電耦合靜力學撓度輸出改進模型,求得了可將熱載荷轉(zhuǎn)化為等效電載荷的熱-電轉(zhuǎn)換系數(shù),補償了因溫度變化引起的柔性壓電微動平臺內(nèi)部各壓電晶片驅(qū)動器撓度輸出誤差,并基于已建立的柔性壓電晶片微動平臺熱-壓電-力耦合動力學模型,引入了基于擴張狀態(tài)觀測器的滑模控制方法,最終實現(xiàn)了該三自由度柔性壓電晶片微動平臺在熱電復合場下的高精密位姿解耦伺服控制。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TH703
【部分圖文】：

?山東大學博士學位論文???條件下，壓電陶瓷材料將失去其壓電效應或逆壓電效應．？①受到與極化方向相反??的強電場；②受到較大機械壓力或載荷，導致偶極子隊列發(fā)生畸變；③壓電材料??溫度高于居里溫度。因此，在大多數(shù)實際應用中，壓電陶瓷材料的工作溫度應保??持在其居里溫度的１／２以下，從而避免高溫對壓電陶瓷材料性能產(chǎn)生永久性損傷。??２．極化??壓電陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為近似立方體的四角形晶系結(jié)構(gòu)。在壓電陶瓷超過居??里溫度時，材料將會呈現(xiàn)對稱立方晶體結(jié)構(gòu)，如圖１－１?（ａ）。因為立方體正電荷??和負電荷的重心重合，所以微觀電偶極子為零，故宏觀電偶極子也為零；當壓電??陶瓷低于居里溫度時，材料晶體的四角形晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，如圖Ｍ?（ｂ），從??而導致微觀電偶極子發(fā)生微觀極化，但宏觀電偶極子仍然為零。??？?＊Ａ２＋二價重金屬離子??？〇２－氧離子??４?，…四價重金屬離子??、去々＇十，?＼＼?：／／??（ａ）居里溫度以上立方晶格（ｂ）居里溫度以下立方晶格??圖］－１壓電陶瓷單元晶格??人工極化處理：在壓電陶瓷兩極上加載足夠大的直流電場（例如２０？３０?ｋＶ／ｃｍ??直流電場），且保持恰當?shù)臅r間和溫度，迫使其內(nèi)部電疇發(fā)生轉(zhuǎn)向，或迫使其自??發(fā)極化并作定向排列，如圖１－２?（ａ）和圖１－２?（ｂ）。當去除外部電場后，壓電陶??瓷內(nèi)部各電疇的自發(fā)極化方向?qū)⒒�本保持原外部電場方向，且�?nèi)部仍將存在較強??的剩余極化強度，并使得壓電陶瓷兩極產(chǎn)生束縛電荷，進而在其兩電極表面吸附??自由電荷，如圖１－２?（ｃ）。??＋：＾?丨ＨＨ??ＩＩＩＩ??１＾１?Ｉｎｉｎ?１??（ａ）極化前?（ｂ）極化中?（ｃ）極ｌｉ：后??

?第Ｉ章緒論???同作用，并且剩余極化強度和遲滯特性都依賴于壓電陶瓷材料歷史狀態(tài)和外部電??場的變化趨勢。??３．正／逆壓電效應??（１）正壓電效應??當在壓電材料兩端施加一定外部壓力時，材料內(nèi)部的電偶極矩因受壓而變短，??進而為抵抗該形變，將會在其相對表面產(chǎn)生等量的正負電荷，來保持原狀。這種??由于壓電材料形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應，如圖１－３?（ａ）。??（２）逆壓電效應??當在壓電材料極化方向上施加外電場時，壓電材料產(chǎn)生機械變形，而當外電??場去除后，該變形又隨之消失的現(xiàn)象稱為逆壓電效應，如圖１－３?（ｂ）。??ｐ?Ｑ）?ｐ?（３??ｉ、一＇?＋?Ｉ?＊?Ｕ?＋??Ｆ＾—?????（ａ）正壓電效應?（ｂ）逆壓電效應??圖１－３壓電材料的正／逆壓電效應原理??當壓電陶瓷材料外電場方向與極化方向相同時，將發(fā)生橫向收縮和縱向伸長；??當壓電陶瓷材料外電場方向與極化方向相反時，將發(fā)生橫向伸長和縱向收縮。??１．４壓電微驅(qū)動器及微動平臺??１．４．１壓電微驅(qū)動器的分類??壓電微驅(qū)動器是一類利用壓電材料在電場作用下的逆壓電效應產(chǎn)生力或位??移輸出的微驅(qū)動器。值得注意的是：壓電微驅(qū)動器不僅可提供較大的輸出力或輸??出位移，而且具有響應速度快、位移分辨率高、線性度好、抗干擾能力強和易于??控制等優(yōu)點，尤其適用于對輸出力或位移輸出較高的壓電器件、微位移定位系統(tǒng)??等領(lǐng)域。根據(jù)其結(jié)構(gòu)型式可分為：疊堆型壓電驅(qū)動器、薄片型壓電彎曲驅(qū)動器、??管型壓電驅(qū)動器、Ｒａｉｎｂｏｗ驅(qū)動器、彎張驅(qū)動器和功能梯度驅(qū)動器［｜５］。??５??

?山東大學博士學位論文???１．疊堆型壓電驅(qū)動器??疊堆型壓電驅(qū)動器是一類采用壓電材料片物理串聯(lián)、電學串聯(lián)或并聯(lián)連接且??在電場作用下可將電能轉(zhuǎn)化為機械力或位移輸出的微驅(qū)動器。雖然具有輸出位移??小的缺點，但因其驅(qū)動力大、響應速度快、易于控制等優(yōu)點，已在眾多壓電器件??及微動平臺或系統(tǒng)中得到了廣泛應用。??曝＂Ｕ??（ａ）疊堆型壓電陶瓷結(jié)構(gòu)及原理?（ｂ）疊堆型壓電陶瓷樣品??圖１－４疊堆型壓電陶瓷??２．薄片型壓電彎曲驅(qū)動器??薄片型壓電彎曲驅(qū)動器主要是一類利用柔性壓電材料在電場作用下的橫向??彎曲來實現(xiàn)機械位移或力輸出的微驅(qū)動器，具有輸出位移大、均一性好、壓電性??能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點。按其結(jié)構(gòu)形式主要可分為：單層壓電晶片驅(qū)動器、雙??層壓電晶片驅(qū)動器、Ｔｈｕｎｄｅｒ型驅(qū)動器、ＬＩＰＣＡ型驅(qū)動器等。??（１）單層壓電晶片驅(qū)動器??單層壓電晶片驅(qū)動器是由一層壓電材料（如壓電陶瓷晶片）和另一層非壓電??材料（如金屬，硅等）通過粘結(jié)劑（如導電銀膠）黏貼而成。在外加電壓下，壓??電層將發(fā)生縱向收縮或伸長，但由于非壓電層的束縛，能量無法釋放，從而產(chǎn)生??向上或向下的橫向彎曲。此外，不同單晶壓電驅(qū)動器的壓電層和基體層長度或面??積不一定相等。??壓電層牛戶?／？?夕．，??（ａ）單層壓電晶片驅(qū)動器?（ｂ）單層壓電晶片驅(qū)動器樣品??圖丨－５單層壓電（陶瓷）晶片驅(qū)動器??（２）雙層壓電晶片驅(qū)動器??雙層壓電晶片驅(qū)動器是由兩層壓電材料（如壓電陶瓷晶片）或輔加一層非壓??６??
【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 楊德俊;吳杰歆;;基于磁控濺射法的超聲換能器壓電晶片鍍膜方法應用[J];電子質(zhì)量;2011年12期

2 林震;張俊;楊宜;羅俊;;化學還原壓電晶片測試淺析[J];山東化工;2019年04期

3 魏勤;顏信全;周武波;袁嬡;;壓電晶片傳感器監(jiān)測金屬薄板的腐蝕[J];應用聲學;2011年06期

4 彭海闊;孟光;李富才;;一種基于壓電晶片陣列的板結(jié)構(gòu)損傷識別方法[J];振動與沖擊;2009年09期

5 韓銘麟;陳君;汪旭東;張濤;;應用于冷氣微推力器的壓電晶片驅(qū)動穩(wěn)定性分析[J];兵器裝備工程學報;2018年09期

6 阮斌;陶振強;賈南南;;簡易壓電晶片式液壓發(fā)電裝置的設計及試驗[J];光學儀器;2014年04期

7 周進節(jié);鄭陽;張吉堂;;基于壓電晶片陣列的管中導波時反檢測方法研究[J];機械工程學報;2013年22期

8 馬偉方,侯毅,施文康,鄧明晰;液體-壓電晶片界面上電邊界條件對蘭姆波激發(fā)的影響[J];聲學技術(shù);2001年01期

9 耿學倉,楊玉瑞,黨長久,李明軒;一種非均勻厚度壓電復合材料片寬帶換能器的實驗研究[J];應用聲學;1995年02期

10 袁魁;沈希忠;;基于幾種超聲壓電晶片陣列的金屬板缺陷成像[J];無損檢測;2013年03期

相關(guān)博士學位論文 前3條

1 陳寧;壓電晶片驅(qū)動的新型柔性微動平臺熱-壓電-力耦合分析與控制[D];山東大學;2020年

2 黃合成;壓電晶片主動控制截止閥的理論與試驗研究[D];吉林大學;2014年

3 劉文景;基于壓電微驅(qū)動器的微光掃描器件的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];東南大學;2015年

相關(guān)碩士學位論文 前8條

1 應之歌;三維結(jié)構(gòu)IPMC人工肌肉的制備及性能優(yōu)化[D];南京航空航天大學;2019年

2 石通潞;d_(36)壓電晶片激發(fā)管中導波的特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

3 劉殿龍;壓電晶片式流體阻尼器俘能與振動特性研究[D];浙江師范大學;2016年

4 郭永躍;基于壓電晶片陣列的復合材料層合板損傷檢測研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

5 仉家政;汽車后視鏡壓電自動除雨系統(tǒng)的分析與研究[D];吉林大學;2009年

6 辛雪花;壓電振子發(fā)電的基本特性及試驗研究[D];吉林大學;2006年

7 梁建波;基于微小閥圓形壓電晶片驅(qū)動器的作用機理與試驗研究[D];吉林大學;2011年

8 和世海;窄脈沖超聲波探傷技術(shù)研究[D];機械科學研究總院;2010年

本文編號：2876460