压电陶瓷
压电陶瓷范文第1篇
关键词： ARM； 压电陶瓷； 驱动电源； PI控制器
中图分类号： TN911?34； TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）14?0166?05
High?resolution piezoelectric ceramic actuator power supply based on ARM
GE Chuan， LI Peng?zhi， ZHANG Ming?chao， YAN Feng
（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）
Abstract： According to the requirement of the micro piezoelectric actuator for driving power supply， a piezoelectric actuator power supply system was designed. In this paper， the digital circuit and analog circuit in the power supply system were described in detail. The accuracy and the stability of the actuator power supply were analyzed and improved. Finally， the performance of the power supply was verified in experiment. The experimental results indicate that the output voltage noise of the designed power supply is lower than 0.43 mV， the maximum nonlinear output error is less than 0.024%， and the resolution can reach 1.44 mV， which can meet the requirement of static positioning control in the high resolution micro?displacement system.
Keywords： ARM； piezoelectric ceramic； driving power supply； PI controller
0 引 言
压电陶瓷驱动器（PZT）是微位移平台的核心，其主要原理是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，从而驱动执行元件发生微位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应频率快、推力大和体积小等优点，在航空航天、机器人、微机电系统、精密加工以及生物工程等领域中得到了广泛的应用[1?3]。然而压电陶瓷驱动器的应用离不开性能良好的压电陶瓷驱动电源。要实现纳米级定位的应用，压电陶瓷驱动电源的输出电压需要在一定范围内连续可调，同时电压分辨率需要达到毫伏级。因此压电陶瓷驱动电源技术已成为压电微位移平台中的关键技术[3]。
1 压电驱动电源的系统结构
1.1 压电驱动电源的分类
随着压电陶瓷微位移定位技术的发展，各种专用于压电陶瓷微位移机构的驱动电源应运而生。目前驱动电源的形式主要有电荷控制式和直流放大式两种。电荷控制式驱动电源存在零点漂移，低频特性差的特点限制其应用[4]。而直流放大式驱动电源具有静态性能好、集成度高、结构简单等特点，因而本文的设计原理采用直流放大式压电驱动电源。直流放大式电源的原理如图1所示。
图1 直流放大式压电驱动电源原理
1.2 直流放大式压电驱动电源的系统结构
驱动电源电路主要由微处理器、D/A转换电路和线性放大电路组成。通过微处理器控制D/A产生高精度、连续可调的直流电压（0～10 V），通过放大电路对D/A输出的直流电压做线性放大和功率放大从而控制PZT驱动精密定位平台。
该设计中采用LPC2131作为微处理器，用于产生控制信号及波形；采用18位电压输出DA芯片AD5781作为D/A转换电路的主芯片，产生连续可调的直流低压信号；采用APEX公司的功率放大器PA78作为功率放大器件，输出0～100 V的高压信号从而驱动PZT。为实现高分辨率压电驱动器的应用，压电驱动电源分辨率的设计指标达到1 mV量级。
2 基于ARM的低压电路设计
2.1 ARM控制器简介
压电陶瓷驱动电源中ARM控制器主要提供两方面功能：作为通信设备提供通用的输入/输出接口；作为控制器运行相关控制算法以及产生控制信号或波形实现PZT的静态定位操作。针对如上需求，本设计采用LPC2131作为主控制器[5]，LPC2131是Philips公司生产的基于支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI?S?CPU的微控制器，主频可达到60 MHz；LPC2131内部具有8 KB片内静态RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存储器；具有两个通用UART接口、I2C接口和一个SPI接口。由于LPC2131具有较高的数据处理能力和丰富的接口资源使其能够作为压电驱动电源的控制芯片。
2.2 D/A电路设计
由于压电驱动电源要求输出电压范围为0～100 V，分辨率达到毫伏级，所以D/A的分辨率需达到亚毫伏级。本设计采用AD5781作为D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度转换器，输出电压范围-10～10 V，提供±0.5 LSB INL，±0.5 LSB DNL和7.5 nV/噪声频谱密度。另外，AD5781还具有极低的温漂（0.05 ppm/℃）特性。因此，该D/A转换器芯片特别适合于精密模拟数据的获取与控制。D/A电路设计如图2所示。
在硬件电路设计中，由于AD5781采用的精密架构，要求强制检测缓冲其电压基准输入，确保达到规定的线性度。因此选择用于缓冲基准输入的放大器应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。这里选用AD8676，AD8676是一款超精密、36 V、2.8 nV/双通道运算放大器，具有0.6 μV/℃低失调漂移和2 nA输入偏置电流，因而能为AD5781提供精密电压基准。通过下拉电阻将AD5781的CLR和LDAC引脚电平拉低，用于设置AD5781为DAC二进制寄存器编码格式和配置输出在SYNC的上升沿更新。
图2 AD5781硬件设计电路图
在ARM端的软件设计中，除正确配置AD5781的相关寄存器外，还应正确配置SPI的时钟相位、时钟极性和通信模式[5]。正确的SPI接口时序配置图如图3所示。
图3 主模式下的SPI通信时序图
3 高压线性放大电路设计
本文压电驱动电源采用直流放大原理，通过高压线性放大电路得到0～100 V连续可调的直流电压驱动压电陶瓷。放大电路决定着电源输出电压的分辨率和线性度， 是整个电源的关键。
3.1 经典线性放大电路设计
放大电路采用美国APEX公司生产的高压运算放大器PA78作为主芯片。PA78的输入失调电压为8 mV，温漂-63 V/°C，转换速率350 V/μs，输入阻抗108 Ω，输出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB。基于PA78的线性放大电路设计如图4所示。配置PA78为正向放大器，放大倍数为，得到输出电压范围为0～100 V。
如果运放两个输入端上的电压均为0 V，则输出端电压也应该等于0 V。但事实上，由于放大器制造工艺的原因，不可避免地造成同相和反相输入端的不匹配，使输出端总有一些电压，该电压称为失调电压。失调电压随着温度的变化而改变，这种现象被称为温度漂移（温漂），温漂的大小随时间而变化。PA78的失调电压和温漂分别为8 mV、-63 V/°C，并且失调电压和温漂都是随机的，使PA78无法应用于毫伏级分辨率的电压输出，需要对放大电路进行改进。
图4 线性放大电路
3.2 放大电路的改进
这里将PA78视为被控对象G（S），将失调电压和温漂视为扰动N（S），这样就把提高放大器输出电压精度转化成减小控制系统的稳态误差的控制器设计的问题。在控制器的设计中常用的校正方法有串联校正和反馈校正两种[6]。一般来说反馈校正所需的元件数少、电路简单。但是在高压放大电路中，反馈信号是由PA78的输出级提供。反馈信号的功率较高，为元件选型和电路设计带来不便，故线性放大电路中不使用反馈校正法[7]。而在串联校正方法中，有源器件的输入不包含高压反馈信号，所以该设计采用串联校正方法，采用模拟PI（比例?积分）控制器G1（S）进行校正，如图5所示。
图5 放大电路串联校正控制系统
图5中，PI控制器将输出信号c（t）同时成比例的反应输入信号e（t）及其积分，即：
（1）
对式（1）进行拉普拉斯变换得：
（2）
由式（2）观察可得，PI控制器相当于在控制系统中增加了一个位于原点的开环极点，开环极点的存在可以提高系统的型别，由于系统的型别的提高可以减小系统的阶跃扰动稳态误差（对于线性放大电路，可视失调电压和温漂为阶跃扰动[8]）。同时PI控制器还增加了一个位于复平面中左半平面的开环零点，复实零点的增加可以提高系统的阻尼程度，从而改善系统的动态性能，缓解由牺牲的动态性能换取稳态性能对系统产生的不利影响[9]。
放大电路的设计中采用有源模拟PI控制器，改进后的线性放大电路如图6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676，AD8676的输入失调电压低于50 μV（满温度行程下），电压噪声≤0.04 μV（P?P）@0.1～10 Hz，因此适合用于串联校正环节，以提高系统稳态性能、减小输出电压漂移。
校正环节的系统函数为，其中、，调节R7，R8和C4的参数值，达到减小输出误差的目的。
3.3 相位补偿
从工程角度考虑，由于干扰源的存在，会使系统的稳定性发生变化，导致系统发生震荡。因此保证控制系统具有一定的抗干扰性的方法是使系统具有一定的稳定裕度即相角裕度。
由于实际电路中存在杂散电容，其中放大器反向输入端的对地电容对系统的稳定性有较大的影响[10]。如图6所示，采用C5和C6补偿反向端的杂散电容。从系统函数的角度看，即构成超前校正[10]，增加开环系统的开环截止频率，从事增加系统带宽提高响应速度。
PA78有两对相位补偿引脚，通过外部的RC网络对放大器内部的零极点进行补偿。通过PA78的数据表可知，PA78内部的零极点位于高频段。根据控制系统抗噪声能力的需求，配置RC网络使高频段的幅值特性曲线迅速衰减，从而提高系统的抗干扰能力。图6中，R4，C1与R5，C2构成RC补偿网络。
图6 改进后的线性放大电路
此外电路中C3的作用是防止输出信号下降沿的振动引起的干扰；R10起到偏置电阻的作用，将电源电流注入到放大器的输出级，提高PA78的驱动能力。
将PI控制器的参数分别设置为KP=10、KI=0.02；超前校正补偿电容分别为12 pF和220 pF；RC补偿网络为R=10 kΩ、C=22 pF。利用线性放大电路的Spice模型进行仿真得到幅频特性和相频特性曲线如图7所示。从图中观察可得，放大系统的带宽可达100 kHz，从而保证了系统良好的动态特性，同时相角裕度γ>60°使系统具有较高的稳定性（由于PZT的负载电抗特性一般呈容性，所以留有较大的相角裕度十分必要）。
图7 改进的放大电路的幅频和相频特性曲线
4 驱动电源实验结果
实验用压电陶瓷驱动电源的稳压电源采用长峰朝阳电源公司的4NIC?X56ACDC直流电源，输出电压精度≤1%，电压调整率≤0.5%，电压纹波≤1 mV（RMS）、10 mV（P?P）。测量设备采用KEITHLEY 2000 6 1/2 Multimeter。
首先对DAC输出分辨率进行测量，ARM控制器输出持续5 s的阶跃信号，同时在DAC输出端对电压信号进行测量，将测量结果部分显示见图8。图8中显示AD5781的输出电压分辨率可达3.89e-5 V，即38.9 μV。
在模拟电路中，噪声是不可避免的。对于压电驱动电源来说，噪声的等级限制了驱动电源的输出分辨率。图9分别给出经典放大电路和改进后的放大电路的测试噪声。从图中可得通过使用PI控制器和相位补偿元件将压电驱动电源的输出噪声从1.82 mV（RMS）降低至0.43 mV（RMS）。
图8 DAC分辨率实验图
图9 放大电路噪声图
图10给出了放大电路的输出分辨率，放大电路的分辨率决定了PZT的定位精度，如要实现纳米级的定位精度，驱动电源的分辨率需要达到毫伏级。图10中，输出电压的分辨率可达到1.44 mV。
图10 放大电路分辨率实验图
最后，给出驱动电源电压线性度曲线。线性度能够真实的反映出输出值相对于输入真值的偏差程度[11]。线性度曲线如图11所示。得到拟合直线Yfit=9.846Vin+0.024 2，最大非线性误差为0.024%，能够满足精密定位需求。
5 结 论
本文设计的基于ARM的高分辨率压电陶瓷驱动电源采用直流放大原理，具有低电路噪声、高分辨率和低输出非线性度等特性，同时驱动电源的带宽可达100 kHz。以上特性使本文设计的压电驱动电源能够应用于纳米级静态定位的需求，由于其性价比高、结构简单，故具有很高的实用价值。
图11 输出电压曲线和非线性度曲线
参考文献
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压电陶瓷范文第2篇
[关键词]电子鼓； 压电陶瓷传感器；鼓盘；均匀性
中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0288-01
鼓盘信号的传感理论上可分为两种：接触式触发器和非接触触发器。
非接触式触发器是靠固定在鼓盘上面一层导电网面作极板与固定在鼓盘下部的电容式传感器间电容改变，从而使机械信号转化为电信号，但这种传感方式因信号微弱、噪声较大、要拾取到微弱的的振动信号是非常困难等因素，再加上材料成本和工艺要求特别高，此传感方式并未在电子鼓上广泛推广。
接触式触发器方式就是在鼓面下部固定一个压电陶瓷片（蜂鸣片），这种触发方式结构简单，灵敏度较高，敲打鼓盘时引起的震动产生的机械信号转化为电信号，具体的说，就是蜂鸣片输出一个正弦波的电信号（如图1）。
由于电子鼓鼓盘直径大小不同，受压电陶瓷片的直径大小限制和贴附位置（一般将蜂鸣片放置在鼓在中间位置），很容易产生击打鼓盘不同位置时产生的电信号不同，特别是直接击打在位于压电陶瓷片固定位置的鼓面部分，出来的声音就会特别响，如果刻意去敲这个接触点，会感觉到这一点和其他地方会非常不一样，缺乏平滑的过渡，中间有个尖峰（如图2）。
由于鼓手在击打鼓面时不可能准确一至准确的击打某一部位，相对于真鼓，击到在不同位置时候，只有细微的差别，对于电子鼓需克服这样的弱点，我们不仅需要软件从算法上作出修正，更需要从结构上保证鼓盘的均匀性，整体如图3
一.我们需打破传统，改变蜂鸣片直接贴在传感铁片（或其它传感材料上），让蜂鸣片与传感铁片之间有一段距离；
二.再将蜂鸣片贴在一块PC传感片，传感PC片的直径范围需保证A1≈A2（如图4），这样才能保证击打鼓盘任意位置，敲打面与蜂鸣片中心基本相等。
三.将PC片按45°角排列贴缓冲垫并贴于传感铁片上，保证敲击的机械振动可从四周传至蜂鸣片，以保证机械信号转化为电信号的电压和频率一致。
验证效果：由于保证了击打任一点击打位置到蜂鸣片的位置基本相等，且蜂鸣片未直接贴在传感铁片上，不存在直接的硬接触点，击打的整个区域都是非常自然而平滑的过渡。在不做力度修正的情况下，可以感受到不同位置的音量连续变化，不存在别扭的突变点。这个音量变化和真鼓是不一样的，如经过软件的力度算法的修正之后，就可以做到和真鼓接近的区域力度响应（图5）。
上述方法只是本人在实际研发和生产中摸索出来的一种结构设计方法并正式用于生产，当然如何调整鼓盘的均匀性，每个厂商自有一套方法，既可从软件算法方面去做修正，音量方面去做补偿，本人只是从结构上探讨如何将均匀性做到更好，减轻软件方面的困扰。
参考文献
压电陶瓷范文第3篇
关健词：压电陶瓷；自动控制；稳定电源
Abstract: piezoelectric ceramic transformer is a resonant body, only the driving voltage frequency equal to the natural frequency of piezoelectric ceramic transformer, in order to resonant state, effective voltage output. But in fact the piezoelectric ceramic transformer resonant frequency is often affected by the load impedance, environment change. In order to obtain the best output, need to track changes in the resonant frequency of the driving frequency is automatically adjusted, and the piezoelectric ceramic transformer output impedance, when the load changes, the output voltage changes, can not meet the high voltage power supply output voltage stability and technical requirements, so it needs an adjustment circuit on the output voltage automatically adjustment. The instruments used to achieve single-chip for piezoelectric ceramic resonator frequency automatic tracking, guarantee the best working state of piezoelectric ceramics, piezoelectric ceramic dynamic application period to meet the drive power demand.
Key words: piezoelectric ceramic; automatic control; power supply stability
中途分类号：TF762+.6文献标识码：A文章编码：
本仪器硬件电路包括CPU部分、D/A转换、运放电路、信号发生电路、驱动电路、反馈、隔离电路等, 原理框图见图1
图1
由原理框图可见，从CPU发出的数字量经D/A转换后，进行运算放大，放大后的电压量驱动信号发生电路，产生的信号经放大后驱动负载，最后由反馈隔离电路反馈回CPU，进行输出调整，使输出满足负载的电压要求。具体电路如图2所示。
图2
一、CPU电路
如图3所示，
图3
CPU电路主要包括晶振和复位电路，如上图所示。
二、D/A转换
D/A转换电路说明：
图4
如图4所示，R-A、R-B、R-C、R-D接5V基准电压输入，时钟接CPU的P1.1口，LOAD接P1.0口，LDAC接P1.3口，从CPU送出的信号经串行数据接口6脚输入，TLC5620的串行输入选择位A1、A0分别为0、0，即选择DAA为模拟输出通道。然后经放大电路放大。
具体过程如下：
当LOAD为高电平时,数据在CLK每一下降沿由时钟同步送入DATA端口,一旦所有的数据位送入,LOAD变为脉冲低电平以便把数据从串行输入寄存器传送到所选择的DAC.如果LDAC为低电平,所选择的DAC输出电压更新且LOAD变为低电平.而在串行编程期间内LDAC为高电平,新数值被LOAD的脉冲低电平打入第一级锁存器后,再由LDAC脉冲低电平传送到DAC输出.数据输入时最高有效位(MSB)在前. 表1列出A1和A0位以及被更新DAC的选择.RNG位控制DAC输出范围.当RNG为低电平时,输出范围在所加的基准电压与GND之间,当RNG为高电平时,输出范围在所加基准电压的两倍与GND之间。
三、运放电路
由于陶瓷变压器的起振频率宽度很窄，ICL8038在8脚（调频电压输入端）电压变化幅度很小时（毫伏级）才能够达到要求，因此这里选用精度很高的运放TLC2252来达到控制ICL8038的调频电压。通过对D/A转换后的电压进行放大，使得加在调频电压输入端的电压随数字量的增加作毫伏级变化。使得ICL8038的输出频率能更好地稳定在压电陶瓷的谐振频率附近。具体电路如下图（图5）。经D/A转换的模拟信号由2252的3脚输入，1脚输出，然后进行下一级放大，共经过三级放大后，由7脚（网络标号C38）输入到信号发生器8038。
图5
四、信号发生电路
信号发生电路如图6所示：
图6
此图6中，8脚（网络标号C38）接收放大后的电压作为调频电压，9脚输出矩形波。
五驱动电路
ICL8038的带负载能力较差，需要另加驱动，这里用很简单的三极管放大电路作驱动，使NPN工作在放大区，PNP工作在截至区，这样可以使输出电阻很小，带负载能力增强，另外加入新的驱动电压，使陶瓷变压器的起振电压达到0~12V（可以使用电位器进行调解）。具体电路如下图（图7）。
图7
六反馈隔离电路
由于压电陶瓷变压器的输出阻抗很大，当负载变化时，输出电压随之变化，难以满足高压电源输出电压稳定性的技术要求，因此也需要隔离电路对输出高压进行隔离。光电耦合器件的输入和输出之间通过光信号的传输，对电信号是隔离的，没有电信号的反馈和干扰，因而性能稳定。由于发光管和接收管之间的耦合电容很小（小于2pF)，所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高，抗干扰能力强。
从压电陶瓷变压器的输出端口输出的高压经电阻分压后，采用变压器来隔离，经过整流滤波后送运算放大器放大，在用光藕隔离器件TTL117对放大后的电压进行隔离，再反馈到CPU。经过CPU的软件处理控制ICL8038的调频电压来时压电陶瓷变压器工作在最佳的谐振频率。
图8
七自适应性的实现
先给定2051一定频率电压，经D/A转换后放大，作为信号发生器8038的调频电压，8038的9脚输出频率与调频电压成正比的矩形波，矩形波经无失真放大后驱动压电陶瓷变压器。若此矩形波的频率与压电陶瓷变压器的谐振频率相同，则压电陶瓷处于最佳谐振状态，输出电压最大。由于压电陶瓷变压器有其独特性质，当电源电压，环境温度，负载阻抗和振荡频率发生变化时，输出特性将有较大的变化，变化的结果将集中反映在输出电压或输出电流的变化量上，这个变化量经过变压器，LF353放大，以及光电藕合后，反馈到CPU的P1.4脚，CPU将根据反馈电压自动调整D/A输出电压，再由8038调节输出频率，使得输出频率在压电陶瓷的谐振频率上，实现对压电陶瓷变压器的自适应控制。
参考文献:
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压电陶瓷范文第4篇
关键词:压电陶瓷;压电效应;步进电机;高精度定位;编码器
中图分类号:O328文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0033-02
一、概述
继压电效应的发现,压电陶瓷首先是作为电声或声电器件服务于大众的,目前也有了许多应用,如:声波传感器、震动传感器等。它们一般应用于测量震动、晃动等领域。在精确的位置测量上,还未见有成熟的应用。
工业设备在运动控制中,对于高精度的位置控制,最好的传感器件是各种编码器,它们不仅能轻易达到0.01毫米乃至微米级的精度,而且可以在运动的全过程采集位置数据,然而美中不足的是它昂贵价格。
普通的光学传感器,一般由红外LED及光敏三极管组成,各用一定宽度的狭缝限制发射及接受光束的大小。因此,光敏管的传输特性及光束的大小直接决定了传感器的精度。图1为遮挡物逐渐覆盖检测狭缝时所得检测电平的变化情况:
从图1可知,在高精度要求下,普通光学传感器的检测结果是极其模糊的,即使经过数字化整形,由于工作点的飘移、外界环境干扰等因素的影响,我们得不到稳定的重复检测结果。因此这类光学传感器一般应用于普通机械定位所需的0.5mm以下的精度要求场合。为了适应步进电机0.1mm以上的精度,理论上要求进一步减小狭缝宽度。实际上过小狭缝宽度,将使光敏器件得不到足够的光通量,从而光敏管无法导通,进而无法检测遮挡物的运动。
同样道理,其他电磁感应类传感器如接近开关和霍尔传感器,都要求移动的金属或铁磁物质接近传感面,在某一距离范围内,将所得的一个中间电平确认为翻转状态,但这一距离范围较为模糊和随机,检测结果的重现性也将受到具体电路状况、周围环境、响应延迟等因素的影响,因此不能用于高精度定位的控制上。
鉴于这些原因,到目前为止近微米级的精确定位几乎非编码器莫属,能使用这样精度等级的设备一般都价格不斐,可以不需要考虑传感器的成本价格因素。然而廉价的步进电机提供了足够高的驱动精度,如最差的1.8度的步距角,通过较粗糙的10mm导程丝杠传动后,可得到(10mm/360*1.8=)0.05mm的控制精度,在应用步进电机构成的廉价机电系统中,如何实现既廉价又能达到与步进电机精度相匹配的传感器来进行位置控制呢?利用陶瓷压电片在撞击瞬间产生的电势,可以实现一个低廉并且精确的位置控制方案。
下面列举一个应用方案,以阐明其可行性及实现方法。
假设工作平台从初始位置出发,移动一个指定距离,之后又返回到初始位置,完成一个工作循环。在这里,使用步进电机驱动,并且以恰当的启动加速度及制动减速度来保证尽可能小的失步(可以为0),这样,工作平台的任意精确定位仅使用步进电机的开环控制就可以实现。在起点位置处安装压电片,不仅给系统提供初始参考位置,而且通过使平台的每个工作循环都回归复位位置,可以避免在驱动过程中可能的失步、失控、错乱等产生积累误差,使每一个工作循环都始于精确的复位位置。
虽然复位传感器的电信号是由机械撞击产生,但通过以下一些措施,可以使撞击不具破坏性:(1)低速撞击:在运动接近复位位置时,将速度降至很慢,这在已知行程的加减速运动控制中,可以实现。在未知行程的状况,可以保持全程慢速运动来趋近复位位置;(2)撞击缓冲:撞击部件加入橡胶或弹簧来缓冲,调节适当的预紧力,可以在缓冲元件发生明显形变之前就得到撞击输出的电信号,缓冲作用减低了撞击的刚性而延长了传感器的使用寿命。
在系统失控时视电机堵转的允许与否,可以采取以下措施考虑来避免失控现象的发生。(1)硬性堵转:当电机传动系统允许堵转时,用硬性机械限位限制撞击压电片后的继续运动;(2)柔性跨越:在不允许堵转的状况下,用弹簧/摇杆等机构装载撞击锤。失控时,该机构可跨越传感器,平台继续前进,在其后加装应急行程开关以切断相应的动力电源,或其他措施来终止异常运作。
二、系统设计
要使压电片正常工作,必须克服一个难题:压电效应因材料形变而产生的有限电荷,将在检测线路中释放掉,故检测到的电势只是响应于形变瞬间的短脉冲。一个按压-释放的机械过程将得到如图2所示的电压响应。尽管在空载状态下,撞击可以产生高达50伏的电势,但随着负载增大,所得电压的幅度,将显著减弱。
检测线路的首要任务是将第一个脉冲缓冲、放大,并保持一段时间供系统采样。图3所示的电路可以满足这一要求。将产生的单尖峰信号经放大后向C1 充电,同时开始输出脉冲上沿,C1可以 将脉冲保留足够的宽度。在以后的控制电路中, 及时地响应该脉冲的上升沿, 可获得足够高的检测精度。
三、结语
压电陶瓷范文第5篇
关键词：压电陶瓷，掺杂，BNT，BKT
压电陶瓷的发现和发展距今已有50余年的历史，尤其是近20年来，压电陶瓷和压电器件的原材料有了很大的发展。压电陶瓷在信息、航天、激光和生物等诸多高新科技领域的应用甚广，这些应用主要是与这类材料具有稳定的化学特性、优异的物理性能、易于制备成各种形状和具有任意极化方向的特性紧密相连[1-3]。
目前，大规模使用的压电陶瓷仍然是传统的以PZT为基的多元系压电陶瓷，且在电子学、微电子学等诸多高科技领域得到广泛的应用，但这类陶瓷中的PbO(或Pb3O4)的含量约占原材料总重量的70%，难以制备致密陶瓷，且凭借当今的科技水平还不能使沉积在地表或游离于空气中的铅完全回收再利用，这将使得在制备、使用及废弃后的处理过程中，都会给人类和生态环境带来严重危害。随着近来各国环保战略的加强，无铅压电陶瓷的研发取得了很大的成绩，出现了很多具有实用前景的陶瓷体系，尤其钛酸铋钠系压电陶瓷更是受到当前各国科研工作者的青睐[4-9]。
然而，从近年来的研究进展可以看出，无铅压电陶瓷不可能马上替代铅基压电陶瓷在电子元器件的原材料使用上的主导地位，只有逐渐改善才是更为务实。因此，本论文根据ABO3钙钛矿型陶瓷的多元系复合原则，采用传统陶瓷制备技术和电子陶瓷工业用原料，制备了新型0.82（Bi0.5Na0.5)TiO3-0.18(Bi0.5K0.5)TiO3体系压电陶瓷，并研究了该体系压电陶瓷的压电、介电、铁电性能。。
1.实验
本着实用化的目的，采用传统的陶瓷制备工艺技术，以Bi2O3、Na2CO3、K2CO3、TiO2为起始原料，根据0.82（Bi0.5Na0.5)TiO3-0.18(Bi0.5K0.5)TiO3（简记为BNT-BKT）陶瓷体系的化学计量比进行配料，其中x分别为0，0.005，0.01，0.03，0.05。首先将原料混合物振动球磨12h，充分混合、粉碎后，然后在860～900°C下，经3h的预烧合成陶瓷粉体；合成后的陶瓷粉末充分研磨并过60目分样筛后，加入适量的粘结剂，造粒得到流动性好的颗粒；在一定压力下干压成型，获得厚度为1.0～1.5 mm、直径为 12.0 mm的生坯片；并在1140°C下、烧结4h得到致密的陶瓷片。将清洗好的陶瓷片用真空溅射仪镀上银电极，在硅油温度为80°C～100°C、极化直流电压为3.5 kV/mm～4.5 kV /mm的条件下极化20～30min，放置24h后，测试各项性能。用ZJ-3A准静态测量仪（中国科学院声学研究所）测量d33；采用HP4294A阻抗分析仪测量陶瓷样品的谐振频率、反谐振频率、谐振阻抗和电容，然后计算出陶瓷的机电耦合系数kp；用LCR数字电桥（TH2816A）在常温下测得1kHz时陶瓷样品的介电常数εr和介电损耗tanδ；采用RadiantPrecision Workstation铁电测试系统测试陶瓷样品的电滞回线。
2. 结果与讨论
2.1锰掺杂对压电性能的影响
图1 BNT-BKT+xmolMnO2陶瓷的压电常数d33和平面机电耦合系数kp与组分的关系图
图1为锰掺杂对BNT-BKT体系陶瓷的压电常数d33和平面机电耦合系数kp的关系图。不难发现，d33在掺杂量x=0.005时出现峰值，之后随着x值的增加而减小。平面机电耦合系数kP随着锰掺杂量x值的增大而增大，在x=0.005时kP达到最大值，之后又逐渐减小。。掺杂少量的锰提高了材料的压电常数，掺杂量进一步增加，压电常数出现了明显的下降。这是因为掺锰引起氧空位，一方面起到了烧结促进剂的作用，有利于晶粒的长大，然而压电常数受晶粒大小的影响随晶粒尺寸的增大而增大，所以可以提高陶瓷材料的d33值；另一方面，氧空位也阻碍了铁电畴壁的运动，又会降低d33的值。锰掺杂量较少时，晶粒尺寸长大占据主要地位，d33值随锰含量的增加而增大；而当锰含量进一步增加，氧空位增多，对铁电畴壁的阻碍作用增强，d33值随之减小，在这两种作用下，陶瓷材料的压电性能表现出随锰含量的增加先增大后减小的规律。
2.2锰掺杂对介电性能的影响
图2 BNT-BKT+xmolMnO2陶瓷的介电常数、介电损耗与组分的关系图
图2为BNT-BKT陶瓷的介电常数和介电损耗与组分的关系图。从图2可以看出：陶瓷的介电常数εr随着锰掺杂量x的增加而不断减小，当x=0.01时达到最小，之后随着锰的掺杂量的增加而逐渐增加。另外，图2也反映了锰掺杂量x和介电损耗tanδ之间的关系，由图中可以看出，介电损耗tanδ在x=0.005时最小，在出现峰值之后随着x的增加，介电损耗tanδ也不断增大。说明在本实验中，锰掺杂量为0.005时陶瓷的介电性能最好。综上所述，可以得到锰掺杂对介电性能影响的原因是当x≤0.005时，锰呈现硬性掺杂的作用，当x≥0.005时，由于晶粒过分长大，气孔增多，陶瓷不致密，因此致使样品的介电性能降低。
2.3锰掺杂对铁电性能的影响
图3 BNT-BKT+xmolMnO2陶瓷在室温下的电滞回线
图4 BNT-BKT+xmolMnO2陶瓷的剩余极化强度Pr和矫顽场强Ec 与组分的关系图
图3为BNT-BKT陶瓷在室温下的饱和电滞回线图，通常，饱和电滞回线是为了展示该体系陶瓷优良的铁电性能。从图3可以看出：在一个宽的组分范围内，获得了饱和的电滞回线展示了铁电性能。图4为锰的掺杂量对剩余极化强度Pr和矫顽场强Ec的影响关系图。不难发现，Pr随着锰掺杂量的增加而减小。锰掺杂使样品的剩余极化强度明显下降，体现了明显的受主掺杂的特点。。矫顽场强Ec在锰掺杂量x=0.03时达到最值2.43kV/mm，此时的剩余极化强度为4.54μC/cm2，之后随着锰的掺杂量的增大而减小，表明添加锰可以降低矫顽场强，使压电性能得以充分体现。
3.结论
(1) 对0.82（Bi0.5Na0.5)TiO3-0.18(Bi0.5K0.5)TiO3无铅压电陶瓷锰掺杂的改性研究表明：掺杂为受主掺杂的特性，锰离子主要以+2、+3价对材料进行硬性取代，产生氧空位，使陶瓷变“硬”，导致介电常数d33变小，机电耦合系数kp变小，剩余极化强度Pr显著降低，机械品质因数Qm有所增加。(2) 本实验利用固态氧化物为原料，采用传统的固相反应法进行陶瓷粉体的制备，并采用压制成形工艺制备出0.82（Bi0.5Na0.5)TiO3-0.18(Bi0.5K0.5)TiO3陶瓷,进行锰的掺杂实验，实验中不断研究其新的掺杂量,以期达到最优配比。从而得出在锰掺杂量占陶瓷总物质的量的0.005时，陶瓷的压电、介电、铁电性能较优。
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