一种新型的径向振动高频压电陶瓷复合超声换能器

 本文研究了一种新型的径向振动压电陶瓷高频复合超声换能器.该换能器由一个压电陶瓷圆环和一个嵌于其内部的金属圆盘复合而成.首先对压电陶瓷圆环及金属圆盘的径向振动进行了简单分析,推出了其机电等效电路和共振频率方程,分析了压电陶瓷圆环的几何尺寸对其共振及反共振频率的影响.在此基础上,分析了由压电陶瓷圆环和金属圆盘组成的复合换能器的径向振动,得出了其复合机电等效电路和共振频率方程.研究分析表明,对于具有相同外半径的压电陶瓷圆盘和压电陶瓷圆环,压电陶瓷圆盘的径向振动共振频率高于压电陶瓷圆环的径向共振频率,并且,压电陶瓷圆环的内半径越大,其径向共振频率越低.当在压电陶瓷圆环内部嵌入一金属圆盘而组成一径向复合超声换能器时,其径向共振频率高于压电陶瓷圆盘的径向共振频率,从而达到了提高换能器共振频率的目的.研制了一些径向复合高频超声换能器,并对其共振频率进行了测试,测试数据证明了理论结果的正确性.     

PZT压电陶瓷矩形振子的三维耦合振动

本文研究了压电陶瓷矩形振子的三维耦合振动,通过引入振子的等效弹性系数,用解析法导出了振子的共振频率方程,由频率方程计算了振子耦合振动的共振频率.理论分析表明,压电陶瓷细长棒的纵向振动,薄板的径向及厚度振动等都可由本文理论导出,与数值法相比,本文理论计算简单,物理意义明显.实验表明,振子共振频率的计算值与测量值基本符合.     

压电陶瓷圆环径向厚度振动分析

对压电陶瓷圆环的径向厚度振动进行了分析,使用压电理论和机械振动理论推导出压电陶瓷圆环的谐振和反谐振频率方程,采用图像法求解得到谐振频率,与实际测量结果的误差小于1%。该文还应用有限元分析软件对压电陶瓷圆环的振动模态进行了分析,并与理论计算进行了比较,结果吻合。     

螺旋电极压电扭转驱动器的设计与有限元分析

该文设计了一种新型叉指型电极（IDE）结构形式的螺旋电极压电扭转驱动器,推导并建立了螺旋电极平面有效电极区域内点的应变理论方程。利用ABAQUS对该理论方程进行验证,并着重研究了电压、径向尺寸、圆盘厚度对该压电驱动器应变的影响。结果表明,螺旋电极压电扭转驱动器能够产生较大的切向应变和径向应变输出;增大电压,减小压电圆盘径向尺寸和压电圆盘厚度,有利于提高驱动器的驱动性能;在螺旋角、压电圆盘径向尺寸和电压一定时,螺旋电极压电扭转驱动器的切向应变达到普通电极型的17.5倍,径向应变是普通电极型的16倍。     

压电陶瓷薄圆片振子的厚度剪切振动

本文研究了切向极化压电陶瓷薄圆片的厚度剪切振动，即扭转振动。利用压电方程及运动方程，推出了振子的机电等效电路，得出了振子扭转振动的输入电阻抗，并推出了其共振及反共振频率方程。由于振子的扭转振动与其截面形状有关，因此，本文提出了振子的截面扭转系数的概念，并给出了实心及空心圆盘的截面扭转系数。本文理论对于扭转振动换能器设计理论的研究，以及压电陶瓷振子振动模式的系列研究具有一定的指导意义。     

压电陶瓷圆片振子耦合振动的等效电路

在考虑压电效应的情况下,本文对压电陶瓷圆片形振子的耦合振动进行了研究,分析了振子的轴向振动与径向振动之间的相互关系,推出了振子耦合振动的等效电路.在此基础上,得出了振子耦合振动的共振频率方程,并分析了振子的振动模式与共振频率之间的关系.理论分析表明,压电陶瓷振子耦合振动的等效电路在其频率特性分析中是非常方便的,理想振子的一维振动模式是实际振子的一些近似振动模式.可由本文理论直接导出.实验表明,由本文理论得出的振子的共振频率与实测值符合很好.     

压电陶瓷圆环共振器的轮廓模式耦合振动

利用解析方法,本文研究了压电陶瓷厚圆环的耦合振动,分析了圆环的径向振动与厚度振动之间的关系,从理论上推出了决定压电陶瓷圆环耦合振动频谱的频率方程.实验表明,与一维振动理论的结果相比.本文方法得出的结果与实测值更加符合.     

用功率流方法研究压电陶瓷变压器的电气特性

基于功率流方法,本文提出了一种分析压电陶瓷变压器电气特性的方法.其主要贡献是:(1)给出了计算最佳负载、电压增益、效率和输出功率等电气特性的公式;(2)利用这些公式,给出了分析压电陶瓷变压器电气特性的计算程序,并提出了最佳电阻和最佳匹配网络的概念;(3)为了证明其理论结果,文中给出了仿真结果.本文所得到的结果为分析压电陶瓷变压器电气特性提供了一个有用的工具.     

基于1-3压电复合材料的透镜式聚焦换能器设计

为了抑制压电陶瓷透镜式聚焦换能器振动的多模耦合现象,提高换能器电声转换效率,采用1-3压电复合材料,设计了一种新型的透镜式聚焦换能器;首先计算并仿真了1-3压电复合材料的厚度谐振频率ft和厚度机电耦合系数kt,理论和仿真结果分别相差2.947％和0.933％;接着对换能器做振动分析,结果表明,在换能器谐振频率ft处,声透镜中心径向振幅仅为厚度振幅的7.9％,径向振动得到有效抑制,这有助于提高换能器电声转换效率.     

径向振动压电变压器的等效电路模型及特性研究

本文使用线性压电方程并结合相关的弹性理论对目前国际上刚刚出现的径向振动压电变压器进行了分析和研究,导出了该压电变压器的等效电路模型,并根据电路模型得出径向振动压电变压器的输入阻抗、输出阻抗、升压比、输出功率及效率等特性的数学表达式.文中通过实验对上述特性加以验证,实验结果与理论计算值基本一致,说明本文给出的径向振动压电变压器等效电路模型及其各种特性的数学表达式是正确的.     

Piezoelectric transformer for integrated MOSFET and IGBT gate driver

In this paper, a new complementary gate driver for power metal-oxide semiconductor field-effect transistors and insulated gate bipolar transistors is presented based on the use of a piezoelectric transformer (PT). This type of transformer has a high integration capability. Its design is based on a multilayer structure working in the second thickness resonance mode. A new design method has been used based on an analytical Mason model in order to optimize the efficiency, the available power at the transformer secondary ends, and the total volume. This design method takes into account mechanical losses and heating of the piezoelectric material; it can be extended to predict the characteristics of the PT: gain, transmitted power, efficiency, and heating of piezoelectric materials according to load resistance. A prototype of a PT rated for an inverter-leg gate driver was fabricated and tested experimentally. All calculated characteristics have been confirmed by measurements. Satisfactory results have been obtained in driving a 10-A/300-V/10-kHz chopper. Moreover, a study has been carried out about the propagation of common mode currents between the top-switch and the bottom-switch of the inverter leg throughout the driver in order to avoid cross-talking failures.     

压电效应对多层陶瓷电容器放电性能的影响

为研究压电效应对多层陶瓷电容器放电性能的影响,搭建了放电周期可调的电路平台和基于光学多普勒效应的高精度振动测量平台。研究了陶瓷介质压电特性,电容在不同放电周期、不同加载电压下的振动状态和放电特性,以及失效放电周期和厚度的关系。结果表明,陶瓷介质具有压电效应,放电时,介质按交流电场频率规律振动,当振动频率与电容固有谐振频率一致时,激发机械共振,且振动幅度随电压增大而增大,当振动产生的应变超过介质承受极限时,介质开裂,导致击穿失效。失效放电周期随电容厚度增大而增大,呈线性关系。     

高升压比圆盘压电变压器研究

该文研制了一种圆盘状压电变压器,并对该变压器相应的物理模型进行理论分析和ANSYS有限元仿真。通过实验确定其最佳升压比,且在自主设计的实验平台上进行测试。测试结果表明,该压电变压器在不同频率处的电压放大倍数不同,在117 kHz频率处电压放大倍数达到最大值(为134.6倍),显示了制作的圆盘状压电变压器具有较高的电压放大倍数。     

压电陶瓷变压器在静电复印机上的应用研究

针对静电复印机高压电源中升压电磁变压器线匝之间易打火、击穿、故障率高问题,采用PMMN陶瓷材料制备出片式结构的压电陶瓷变压器,又以压电陶瓷变压器为升压器件研制出符合静电复印机技术要求的压电陶瓷变压器高压电源,从根本上解决了传统高压电源存在的问题,这种电源还具有体积小、质量轻、不怕短路、工作效率高等特点。     

压电超声无线能量传输通道阻抗特性研究

基于压电晶体沿厚度方向振动的数学模型,用等效电路法分析得到表面镀银的某型压电超声换能器的谐振频率和反谐振频率,与实测结果相符。在考虑耦合层影响条件下,建立了由外部压电换能器-金属壁-内部压电换能器所构成超声无线能量传输通道的等效电路模型,并仿真得到了通道的阻抗特性,与高精度阻抗分析仪实际测得的阻抗进行比较,验证了所建模型的准确性。     

压电变压器的研究进展

压电变压器是一种很有发展前景的固体电子器件,有高转换效率、高能量密度、结构简单、体积小、无电磁噪声及不可燃烧等特点。介绍了压电变压器的结构、工作原理、制造方法,综述了国内外压电变压器陶瓷材料、结构设计、理论模型和应用研究的进展情况,并对压电变压器未来的发展趋势作了展望。     

方形1-3-2型压电复合材料薄片的谐振性能研究

通过理论和实验研究了水声换能器用方形1-3-2型压电复合材料薄片的结构参数(陶瓷体积分数和外形尺寸)对其谐振性能的影响。利用压电方程和均匀场理论得到了1-3-2型压电复合材料的各项等效性能参数,分析了复合材料结构参数对谐振性能的影响。制备了陶瓷体积分数和外形尺寸不同的两组1-3-2型压电复合材料样品,测量得到复合材料谐振频率随陶瓷体积分数和外形尺寸的变化数据。结果表明,当1-3-2型复合材料中陶瓷基底的体积百分比小于30%,1-3复合材料部分中陶瓷柱体积分数在30%~80%,且复合材料总体厚宽比小于阈值(这个阈值随陶瓷体积分数变化)时,其厚度谐振性能较好。另外,将实验结果与理论计算进行了比较,两者符合较好,验证了理论公式的正确性。