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多次压电效应探析及在传感执行器上的应用基础研究

史丽萍  
【摘要】:本项目由教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助,项目名称为“机电耦合多次感生效应探析及在传感执行器上的应用”(项目编号:20010141006)。 自从1880年Curie兄弟在石英晶体上发现压电效应以来,压电效应已由基于应力的纵向、横向、剪切效应等二维效应发展到基于变形的拉压、弯曲、扭转效应等三维复合效应。以上压电效应均属于一次压电效应领域。由于科学技术发展和工程实际需要,随着多次压电效应的感生电场和感生应变越来越微小化,需要进一步对多次压电效应的理论与应用进行研究。孙宝元教授于1999年首次提出多次压电效应概念。国内外同类文献检索中,只有少量有关二次压电效应理论的研究,尚无二次压电效应的应用以及二次以上压电效应理论与应用研究的报导。 本文分析了一次、二次以及多次压电效应与压电体机械与电学边界条件的关系。多次压电效应产生的前提是满足相应边界条件。将压电材料看成一个热力学系统,分析了三种能量、四种能量以及六种能量之间主效应与交叉耦合效应间的线性关系。分析了机电耦合(压电)效应与电磁效应的相似性,说明压电效应与电磁效应都具有双向可逆效应,都存在着二次、三次…等多次感生效应。 本文进行了从一次正、一次逆压电效应开始的多次压电效应的理论研究,建立了多次压电效应的解析表达式,同时分析了多次压电效应对压电体介电系数、等效电容、弹性系数、泊松比、压电系数的影响规律。 本文使用压电石英和PZT-5压电陶瓷的叠堆形式,进行了从正压电效应开始的一次正、二次逆、三次正压电效应以及从逆压电效应开始的一次逆、二次正、三次逆压电效应的实验验证,证明了多次压电效应的存在。 本文进行了多次压电效应在传感执行器上的应用基础研究。探讨了一次正压电效应开始的二次逆压电效应的应用。提出了应用二次逆压电效应设计微驱动装置的方案,并通过实验验证了其可行性。提出了利用一次正、二次逆压电效应设计“可作动传感器”的方案及实现结构。探讨了一次逆压电效应开始的二次正压电效应的应用。提出利用一次逆、二次正压电效应设计“自感知执行器”的方案及实现结构。 由于多次压电效应的各次正、逆压电效应是在同一压电体内依次存在的双向效应,其原理特别适合于传感器、执行器集成一体化的研究,本文关于多次压电效应应用的研究均属于此范畴。因此,该研究对于微机电系统(MEMS)的发展具有重要意义。


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