压电双晶片双向大幅振动的探讨

　卷(Volume)23,期(Number)3,总(Total)93矿物岩石 页(Pages )114-116,2003,9,(Sept ,2003)J M INE RAL PET ROL

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P b (N i 1/3N b 2/3)O 3-PbT iO 3-PbZr O 3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:T B321 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 )NaNb 5O 15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 (MnV 3Sb2/3)O 3-PbT iO 3-PbZrO 3和Pb (Zn1/3Nb2/3)O 3-Pb (Sn1/3Nb2/3)O 3-PbT iO 3-PbZrO 3[4]。所以通过在二元系Pb(Ni1/3,Nb 2/3)O 3-PbTiO 3-PbZr O 3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±2m m 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

F ig .1　T he structure o f piezoelect ric duplex cr ysta l

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　Sketch map o f deflection displacement o f v ibra-to r

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 =V 0sin X t

这时激振力使梁的末端产生位移:

x =4l t 2

4l

2d 31V

上式中:x .双晶片末端产生的位移;X .激振角频率;V 0.激振电压幅值;t .时间;l .双晶片悬臂长度;d 31.压电材料的压电常数;V .所施加的电压;l t .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 =3l w l t 5

16l

5d 31YV

式中:Y .双晶片的杨氏模量;l w .压电双晶片宽度。

根据振动料斗振动方程:mZ +TZ +K Z =F sin X t

通过解非齐次二阶常数线性方程,其有用的部分应在Z =A sin(X t -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 =A s (1-r 2)2+Ay 2D

2

,A s =3l t 2

d 31V

A l 2

式中:y .频率比,D .阻尼比,A s .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:2

Yl X l t 3-Al 3m X 2

)

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