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螺旋电极式压电驱动器及其应用研究

潘成亮  
【摘要】: 本论文就新型的基于螺旋电极结构的压电纤维、压电圆柱和压电圆片扭转驱动器结构进行了深入的理论分析和实验研究,并探索了其在压电旋转马达、光学扫描镜等方面的应用。 首次提出一种表面缠绕螺旋电极结构的压电纤维扭转驱动器,是已知目前国际上最小的压电扭转驱动器。根据不同坐标系下应变和应力转换关系解释了该驱动器的变形原理,建立了压电纤维驱动器扭转和纵向静态变形和动态振动的理论模型,得到了压电纤维耦合振动的等效电路,对其主要材料参数和结构参数对驱动器扭转角、谐振频率等性能指标的影响作了详细的分析和评估,为结构优化提供了全面的理论依据。 通过ANSYS有限元仿真研究压电纤维表面螺旋电极结构的电场分布情况,指出实际电场分布存在的缺陷,分析电场集中和弯曲等电场分布不均匀性对压电纤维驱动器性能的影响。总结薄壁、厚壁和实心压电纤维在不同螺旋电极结构参数下的电场分布的变化趋势,进而分析压电纤维内部应变和应力的分布规律,添加系数k以修正扭转位移表达式,分析估算修正系数k随压电纤维厚径比和电极螺旋角的变化规律,从而完善了静态变形理论模型。 以直径1mm、壁厚0.2mm的压电纤维管为基体加工出螺旋电极式扭转驱动器样品,并测试样品的静动态特性,实验结果体现出该驱动器优良的扭转性能。长度50mm、电极螺旋角43°的样品在1000V电压驱动下,静态扭转角达到1.7°;在10kHz的扭转谐振频率点,500Vp-p正弦电压可激励产生2.5°的扭转振动。通过测试比较不同驱动器样品,验证了相同电场强度下静态扭转变形随电极螺旋角的变化曲线,得出45°左右的螺旋电极可提供最大扭转位移的结论;验证了扭转和纵向谐振频率随电极螺旋角和纤维长度的变化趋势。 发展了另外两种基于螺旋电极结构的压电扭转驱动器:基于刻槽螺旋电极结构的压电柱型扭转驱动器和基于平面螺旋电极结构的压电圆片扭转驱动器。阐述了两种驱动器的电极结构设计思路和扭转变形原理,分别加工出两种驱动器样品并进行实验测试分析。直径8mm、长度10mm、电极螺距12mm的压电柱型扭转驱动器样品,2200V电压驱动下静态扭转角达到0.035°,一阶扭转谐振频率达到31kHz,一阶纵向谐振频率达到55kHz,5Vp-p正弦压电驱动下扭转谐振振幅达到0.00087°,纵向谐振振幅达到43nm;直径27mm、厚度0.2mm的压电圆片扭转驱动器,1000V电压驱动下静态扭转位移达到0.0052o,变形虽小,但扭转谐振频率高达226.5kHz,且具有很高的机械品质因子。 探索螺旋电极式压电扭转驱动器在压电冲击旋转马达和光学扫描镜等方面的应用,设计制作了基于压电纤维扭转驱动器和压电柱型扭转驱动器的两种压电冲击旋转马达。压电纤维马达600Vp-p驱动电压下的步进角达到0.063o,1000Vp-p、3kHz电压驱动下的堵转力矩可达到0.08mNm;压电柱马达2200Vp-p电压驱动下的步进角达到0.022°,1400Vp-p电压驱动和1.6mNm负载时仍可保持7.4rpm的转速。微型化压电纤维马达和大力矩压电柱马达可满足多种场合高精度角度定位和驱动的需求。设计加工了基于压电纤维扭转驱动器的微型光学扫描器,阐述了扫描器的驱动原理和扫描特性,加工样品在400Vp-p驱动电压下水平扫描角度达到17.9°,频率6780Hz,竖直扫描角度达到2.6°,频率10330Hz,可实现高频率、大角度的二维光学扫描,在激光扫描显微镜、医学内窥镜探头、条形码阅读器等方面具有一定的应用价值。


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