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螺旋叉指电极的压电圆盘扭转致动器及其应用研究

作　者: 芦志强
导　师: 冯志华
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器与机械
关键词: 压电圆盘扭转驱动器螺旋交叉指型电极数学解析法有限元法电场分布
分类号: TP21
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,压电材料是智能材料结构中使用最为广泛的材料之一。压电陶瓷驱动器也一直是这一领域内的最热门的科研内容之一。2008年,中国科学技术大学的科研人员经过长期的研究,首次制造出一种结构简单,便于加工,且扭转角度大的螺旋电极式压电纤维扭转致动器。在该压电纤维扭转结构的启发下,我们希望能够研制出一种能够提供扭转压电圆盘致动器。根据压电纤维结构的变形转换原理,基于压电陶瓷圆盘的扭转驱动结构的设计成为这一课题的首要任务。本文提出了一种表面螺旋叉指型电极的压电圆盘扭转驱动器结构。以等间距螺旋电极为例,根据应变变换原理,分析了这种扭转驱动器的变形原理,建立起这种扭转驱动器的静态数学模型。利用数学解析法推导出扭转变形的表达式,指出这种压电圆盘驱动器可以提供较大的扭转变形,并详细分析了扭转变形量与电极螺旋角之间的关系。为了进一步了解这种类似交叉指型电极的螺旋表面电极对驱动器性能的影响,利用有限元分析软件ANSYS,详细分析了圆盘表面的电场分布特点,指出实际电场与数学模型之间的差异及其造成的影响,并以此修正了数学解析结果中的扭转变形表达式,指出在实际情况下,在有效区域中间位置处的螺旋角为45°时,该致动器可以产生较大的扭转角.利用直径28mm、厚度0.2mm的压电陶瓷圆盘制作出螺旋交叉指型电极扭转驱动器样品。利用多普勒测振仪和激光反射法测试了其静态和动态扭转变形的基本特性,实验结果表明这种驱动器具有优良的特性。当驱动电压为1000V时,其静态扭转角可达到0.0052°;在225.6kHz扭转谐振频率点,振幅为10Vp-p的正旋激励可以产生幅度为0.0184°的扭转运动。在谐振频率152 kHz处,扭转角仅为0.0021°,约为最大扭转角的1/9。在谐振频率81.2 kHz处,扭转角为0.00086°。并且验证了圆盘的扭转应变随电压增加而增大且具有线性特性。

螺旋叉指电极的压电圆盘扭转致动器及其应用研究

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