導語：如何才能寫好一篇壓電陶瓷，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞 壓電復合材料，鐵電性能，介電性能，壓電性能

1 前 言

聚合物基壓電復合材料是由壓電陶瓷和聚合物復合而成的一種新型功能材料[1～4]，具有較強的壓電性和良好的韌性，由此引起了人們的極大興趣[5]。通常兩相復合的壓電復合材料有10種連通方式，其中0-3型是最為常用的方式[6～9]。0-3 連通型壓電復合材料是在三維自身聯結的聚合物基體中填充壓電陶瓷粉體而制成的壓電復合材料。由于其聲阻抗與水和人體組織非常接近，所以常用于水聲探測和醫療行業，同時它也是智能機器人中傳感器的理想材料，而且這種壓電復合材料的制備尺寸不受陶瓷的制約[10]。由于0-3型壓電復合材料兼具多種優點，所以得到了廣泛的關注和研究[11]。本文采用固相燒結法合成了PZN-PZT壓電陶瓷，并與PVDF混合，制備出陶瓷含量分別為60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%的壓電復合材料，研究了陶瓷含量對復合材料鐵電性、介電性和壓電性的影響。

2 實驗過程

2.1 陶瓷粉體的制備

按照配方Pb(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr0.52Ti0.48)0.7O3精確稱取Pb3O4、ZnO、ZrO2、Nb2O5、TiO2，在ND6-2L球磨機中以水為溶劑，濕法球磨8h。將球磨好的料漿干燥后放入馬弗爐中，在850℃下預燒2h。然后把預燒好的粉料在壓片機上壓制成?準20×（1～2mm）的薄片，將其放入高溫爐中在1250℃下燒結，保溫4h，最后將燒結好的陶瓷片粉碎，過200目篩后得到壓電陶瓷粉體。

2.2 壓電復合材料的制備

配制陶瓷質量分數分別為60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%的七組粉料，混合均勻后，壓制成?準20×（1～2mm）的薄片，在平板硫化機上于180℃溫度下熱處理10min，拋光后得到PZN-PZT/PVDF復合材料。將樣品進行鍍電極處理，干燥后放入已加熱的硅油中進行極化。在極化電壓為50kV?cm-1、溫度為110℃下極化20min，取出樣品，靜置一天后進行性能測試。

2.3 性能測試

用D/Max-3B粉晶衍射儀分析PZN-PZT陶瓷粉體的晶相，用掃描電子顯微鏡觀察PZN-PZT/PVDF壓電復合材料的微觀形貌，用ZT-I鐵電材料參數測試儀測量復合材料的電滯回線，利用TH2819精密LCR數字電橋測量復合材料的介電常數ε和介電損耗tanδ，采用ZJ-3A 型準靜態d33測量儀測量復合材料的壓電常數d33。

3 結果分析與討論

3.1 壓電陶瓷粉體的XRD分析

圖1為陶瓷粉體的XRD圖譜。從圖中可以看出，PZN-PZT燒結粉體已形成鈣鈦礦主晶相,衍射峰強度大且尖銳,僅在2θ為36.8°附近存在一個很弱的異相[12],表明經過1250℃高溫燒結4h后得到了以四方鈣鈦礦結構為主晶相的純度較高的PZN-PZT陶瓷粉體。少量異相的出現主要是由于各種氧化物原材料的化學活性不同，對它們進行直接混合，一次合成極易引起異相的生成[13]。由此可見，其合成工藝有待進一步改進，盡量消除異相，提高陶瓷鈣鈦礦主晶相結構的純度。

3.2 復合材料SEM分析

圖2為陶瓷質量分數為60%和90%的復合材料掃描電鏡照片。比較圖2(a)和圖2(b)可以看出，圖2(b)中的陶瓷含量明顯多于圖2(a)，且圖2(b)中部分陶瓷顆粒已經連成一片，而圖2(a)中陶瓷顆粒仍然零零散散地分布在有機基體PVDF中。這就使得陶瓷含量為90%的復合材料的極化性能要比含量為60%的復合材料好[14]。

3.3 鐵電性能分析

圖3為PZN-PZT/PVDF壓電復合材料的電滯回線。從圖中我們可以看出，陶瓷含量對復合材料的剩余極化強度Pr和矯頑場Ec的影響都較大。隨著陶瓷含量的增加，復合材料的剩余極化強度明顯增加，當陶瓷含量為90%時其剩余極化強度可達5.27μC?cm-2。這是因為隨著陶瓷含量的增加，復合材料的電阻隨之減小，加載在陶瓷上的電壓增大的緣故。由于鐵電陶瓷的鐵電性遠高于壓電聚合物的鐵電性[15]，所以PZN-PZT/PVDF壓電復合材料的矯頑場隨著陶瓷含量的增加呈下降趨勢，其鐵電性越好，樣品越容易極化。當陶瓷含量為90%時，壓電復合材料的矯頑場Ec減小到76kV?cm-1。

3.4 介電性能分析

圖4、圖5為室溫、1kHz條件下復合材料的介電常數和介電損耗與陶瓷質量分數的關系圖。從圖中可以看出，隨著陶瓷含量的增加，復合材料的介電常數與介電損耗均呈非線性增加趨勢。當陶瓷含量為90%時，其介電常數εr為188，介電損耗 tanδ為0.065。依據Maxwell-Garnett方程[7]可知，介電常數的變化主要是因為壓電陶瓷PZN-PZT的介電常數遠高于聚合物PVDF的介電常數，故復合材料的介電常數主要取決于壓電陶瓷的含量。所以，隨著壓電陶瓷質量分數的增加，復合材料的介電常數呈增大趨勢。復合材料的介電損耗隨著陶瓷含量的增加也呈增大趨勢，但它的變化幅度小于介電常數的變化幅度。

3.5 壓電性能分析

圖6為PZN-PZT復合材料的壓電常數d33與陶瓷質量分數的關系曲線。從圖中可以看出，隨著陶瓷含量的增加，PZN-PZT/PVDF復合材料的dd33呈增大趨勢。當陶瓷含量由75%增加到85%時，復合材料的壓電常數增加較快。當陶瓷含量為90%時，其壓電常數dd33可以達到33.4pC/N。這是因為壓電復合材料的壓電性能主要取決于壓電陶瓷的含量和性能，所以隨著陶瓷含量的增加，復合材料的壓電性能也隨之提高。從掃描電鏡照片也可以看出，隨著陶瓷含量的增加，復合材料中部分陶瓷顆粒連成一體，從而進一步提高了復合材料的壓電性；同時，由復合材料的電滯回線可看出，隨著陶瓷含量的增加，復合材料的極化性能明顯提高，這就使得陶瓷含量較高的復合材料在相同的極化條件下極化得更充分，壓電性更好[16]。

4 結 論

（1） 用固相燒結法合成了鈣鈦礦結構為主晶相的純度較高的PZN-PZT陶瓷粉體；

（2） 隨著陶瓷含量的增加，剩余極化強度Pr增加，矯頑場Ec下降，當陶瓷含量為90%時，其剩余極化強度Pr增加到5.27μC?cm-2，矯頑場Ec則下降到76kV?cm-1；

（3） 隨著陶瓷含量的增加，復合材料的介電常數、介電損耗、壓電常數增加。當陶瓷含量為90%時其介電常數εr為188，介電損耗tanδ為0.065，壓電常數d33為33.4pC/N。

參考文獻

1 Wilson S A,Maistros G M,Whatmore R W.Structure modification of 0-3 piezoelectric ceramic/polymer composites through dielectrophoresis[J].Journal of Physics E Applied Physics,2005,38(2):175～179

2 Glushanin S V,Topolov V Y.Features of the electromechanical properties of 0-3 composites of the Pb(Zr,Ti)O3-based ferroelectric ceramics polymer type[J].Technical physics Letters,2005,31(4):346～351

3 Abrar A,Zhang D,Su B,et al.1-3 connectivity piezoelectric ceramic polymer composite transducers made with viscous polymer processing for high frequency ultrasound[J].Ultrasonics,2005,42(3):1～6

4 張聯盟，游達.0-3 PZT/PVDF壓電復合材料的制備及其性能[J].復合材料學報,2004，21（3）：142～148

5 李小兵,田 蒔,李宏波.PZN-PZT壓電陶瓷及其PVDF壓電復合材料的制備和性能[J].復合材料學報,2002，19(3)：70～74

6 sakamoto W.K,Kagesawa S,Kanda D.H.Electrical properties of a composite of polyurethane and ferroelectric ceramic[J].Mater.Sci,1998:3325～3329

7 Cai X.M,Zhong C.W,Zhang S.R.A surface treating method for ceramic particles to improve the compatibility with PVDF polymer in 0-3 piezoelectric composites[J]. Mater.Sci.Let,1997:253～254

8 Lin K.Y,Yen F.S,Hwang C.Y.Effects of particle size of BaTiO3 powder on the dielectric pro perties of BaTiO3/polywinylidene fluoride composites[J].Mater.Sci,2001:3809～3815

9郭 棟,李龍土,桂治輪.陶瓷聚合物壓電復合材料的最新研究進展[J].高分子材料科學與工程,2001，17（6）：44～48

10 王樹彬,徐庭獻,韓杰才等.PZT/PVDF 壓電復合材料的制備及其性能研究[J].復合材料學報,2000,17(4):1～5

11 Dias C J.Inorganic ceramic/polymer ferroelectric composite electrets[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrics and Electrical Insulation,1996,3(5):706～734

12 李 坤,曹大呼,李金華等.鋅鈮酸鉛一鋯鈦酸鉛(PZN-PZT)壓電陶瓷和陶瓷纖維的制備[J].無機材料學報, 2005，20(5）：176～180

13 黃 泳,黃亞鋒.PMN-PZN-PFW-PZT多元系統壓電陶瓷低溫燒結[J].中國陶瓷,2000,36(2):30～32

14 劉曉芳，熊傳溪，李月明等.PZT/PVDF體系壓電復合材料的介電和壓電性能研究[J].陶瓷學報，2004，25 （3）：153～156

15 劉曉芳，熊傳溪，董麗杰等. PVC和PVDF對壓電復合材料電性能的影響[J].稀有金屬,2005,29(5):652～656

16 Z.Surowiak,M.F.Kupriyanov,D.Czekaj.Properties of nanocrystalline ferroelectric PZT Ceramics.Journal of European Ceramic Society,2001,21:1377～1381

Effects of PZN-PZT Piezoelectric Ceramics on

Properties of Piezoelectric Composites

Dai Lei Hu Shan Zhou Li Yan Haixia

(Materials Science and Chemical EngineeringChina University of GeosciencesWuhanHuBei430074)

篇2

關鍵詞： 壓電陶瓷； 電容傳感器； 擴展卡爾曼濾波（EKF）； 容錯控制

中圖分類號： TN820.3?34 ；TP273+.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0152?04

Fault tolerance control of capacitance transducer in

piezoelectric ceramic positioning system

GUO Jia?liang， LI Peng?zhi， LI Pei?yue

（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）

Abstract： As the failure of capacitance transducer has a big impact on tracking accuracy of the piezoelectric ceramic positioning system， the methodology of using extended Kalman filter （EKF） to implement the fault tolerance control is investigated in this paper. Aiming at the sampling circuit failure and the power failure of the transducer， an EKF filtering formula of capacitance transducer under three?order trajectory planning algorithm is analysed. The method that the discrete iterative EKF algorithm is taken to replace the traditional method is introduced. Positioning control experiment is performed with the benchmark of the laser interferometer. The results indicate that the proposed method can achieve 0.7% maximum tracking errors， with the deviation of ±3.5 μm， in a stroke of 500 μm. The experimental results indicate that the fault tolerance control method based on EKF can the control error caused by transducer fault and increase the robustness of the piezoelectric ceramic positioning system.

Keywords： piezoelectric ceramic； capacitance transducer； extended Kalman filter； fault tolerance control

0 引 言

壓電陶瓷定位系統通常是由壓電陶瓷執行器作為驅動器及電容傳感器作為位移傳感器而構成的閉環定位系統[1]。由于壓電陶瓷定位系統具有高精度和高速度的特性，被廣泛地應用于光刻物鏡調節機構和干涉儀移相器等領域[2?3]。當這種閉環控制的反饋信號惟一依賴于電容傳感器測量值時，如果電容傳感器產生在線故障，未經過處理的故障信號會增大系統穩態誤差，嚴重時會造成系統不穩定[4?5]。

卡爾曼濾波是一種使用遞歸方法解決線性濾波問題的最優估計算法，可有效過濾掉隨機干擾，準確地恢復出原始信號[6]，在組合導航系統中，基于自適應卡爾曼濾波器的信息融合方法，可以有效增加系統的定位精度及魯棒性[7]；在多機器人協同控制中，擴展卡爾曼濾波（EKF）可以有效解決定位控制中非線性模型的預測問題[8]；由于不需要對非線性系統的狀態方程和觀測方程進行線性化，并且不需要計算狀態轉移矩陣的雅可比矩陣，無跡卡爾曼濾波（UKF）在飛行器軌跡跟蹤領域也有廣泛應用[9]；近年來，EKF在控制系統傳感器故障容錯控制領域得到廣泛應用，EKF是針對經典卡爾曼濾波方法的非線性化推廣，在永磁同步電機控制系統中，EKF可以根據電機的先驗狀態參數準確估計當前轉子位置，實現無傳感器電機控制[10]或者故障診斷[5]；在發動機故障診斷和容錯控制中EKF的應用也取得了一定的進展[11]。

本文首先對壓電陶瓷定位系統電容傳感器典型故障進行分析；其次，針對三階軌跡規劃算法，將位移軌跡作為被估計的過程，通過對被估計過程EKF濾波公式的分析，提出一種基于離散迭代的EKF算法以替代傳統非線性系統近似線性化的方法；最后，通過實驗對基于EKF的容錯控制方法的效果進行了驗證，結果表明該方法行之有效。

1 問題描述

光刻物鏡可調機構的壓電陶瓷定位系統如圖1所示，控制算法通過PC機端的Matlab/Simulink設計完成之后，通過RTW下載至目標機的xPC Target實時內核，目標機內置有NI公司的PCI?6229數據采集卡，xPC Target通過PCI?6229的D/A通道向驅動控制箱發送控制指令，驅動控制箱根據指令驅動壓電陶瓷執行器，并將讀回的電容傳感器測量數值傳送至PCI?6229的A/D通道，反饋給xPC Target。

如圖1所示，xPC Target目標機與驅動控制箱之間采用模擬信號連接，電容傳感器與驅動控制箱之間也采用模擬信號連接，相比于其他鏈路，這些模擬通道出現故障的概率更大。圖2是模擬通道典型故障的反饋值，在0.6～0.8 s之間電容傳感器第8個數據位出現故障、在1 s之后電容傳感器出現掉電故障。可見，故障時位移測量值與實際值出現較大偏差。因此，在將這些包括不準確值的測量值反饋至控制器之前，對其進行必要的容錯處理顯得尤為重要。

圖1 壓電陶瓷定位系統

2 擴展卡爾曼濾波

將壓電陶瓷定位系統的位移軌跡作為被估計的過程[X]，那么這個過程的狀態變量[xk]即表示[k]時刻的位移值，對于文獻[1]中應用于壓電陶瓷定位系統的三階軌跡規劃算法，這個過程[X]的狀態變量[xk]可以由以下離散差分方程描述：

[xk=xk-1+vk-1ts+ak-1t2s2+Jmt3s6] （1）

式中：[ts]為采樣周期；[Jm]為最大沖擊值常量；[ak-1，][vk-1，][xk-1]分別為[k-1]時刻加速度值、速度值、位移值。顯然[ak，][vk，][xk]均為時變參數，可見被估計過程的[X]是一個離散的非線性過程。

圖2 電容傳感器故障時位移測量值

針對離散非線性過程，卡爾曼濾波變形為如下離散的擴展卡爾曼濾波公式[6]：

[xk/k-1=xk-1+f（xk-1）?Ts] （2）

[Pkk-1=Φkk-1Pk-1Φkk-1T+Qk-1] （3）

[xk=xkk-1+Kk（yk-Hkxkk-1）] （4）

[Pk=Pkk-1-KkHkPkk-1] （5）

[Kk=Pkk-1HkT（HkPkk-1HkT+R）-1] （6）

在傳統的擴展卡爾曼濾波中，公式（2）中的[f（?）]是由非線性函數經過泰勒級數展開，截去高階項后得到的近似線性化函數。這種線性化的近似計算存在兩個方面的缺陷：一方面，需要通過大量的在線仿真或實驗才能獲得精度和速度相對較好的濾波系數[5]；另一方面，隨著遞歸算法的向前推移，泰勒級數高階項權重可能不斷增加，導致最終估計量誤差較大[6]。

為解決以上問題，將公式（1）改寫為公式（7）的形式：

[xk=xk-1+f（xk-1）ts] （7）

而公式（7）中的[f（?）]可以由公式（8）遞推求得[1]，公式（8）中各參數意義與公式（1）相同：

[f（xk）=vk+akts2+Jmt2s6vk=vk-1+ak-1ts+Jmt2s2ak=ak-1+Jmts] （8）

由公式（7）和公式（8）可見，在將壓電陶瓷定位系統的位移軌跡視作被估計過程[X]時，其擴展卡爾曼濾波公式（2）中的線性化函數[f（?）]同樣可以由三階軌跡規劃的遞推過程求得，避免了傳統的將非線性系統線性化的復雜計算過程。

離散擴展卡爾曼濾波式（2）～式（6）中其余參數的含義說明如表1所示。

至此，在三階軌跡規劃算法下，壓電陶瓷定位系統位移量的擴展卡爾曼濾波器可由圖3表示，其中，狀態預測對應公式（2），協方差預測對應公式（3），狀態校正對應公式（4），協方差校正對應公式（5），增益更新對應公式（6）。

表1 離散擴展卡爾曼濾波器參數表

[參數＼&參數含義＼&[xk/k-1]＼&[k]時刻基于[k-1]時刻的預測估計＼&[xk-1]＼&[k-1]時刻的最優估計＼&[Ts]＼&采樣周期＼&[Pkk-1]＼&[xk/k-1]的協方差＼&[Φkk-1]＼&轉移矩陣＼&[Pk-1]＼&[xk-1]的協方差＼&[Qk-1]＼&過程噪聲的協方差＼&[xk]＼&[k]時刻的最優估計＼&[Kk]＼&卡爾曼濾波增益＼&[yk]＼&觀測變量＼&[Hk]＼&為觀測增益＼&[Pk]＼&[xk]的協方差＼&[R]＼&觀測噪聲的協方差＼&]

圖3 擴展卡爾曼濾波器

3 實驗與分析

為了對如圖1所示的壓電陶瓷定位系統中位移的測量值和EKF估計值做出準確評價，實驗過程中使用Renishaw公司的XL?80型激光測長干涉儀作為測量基準，搭建了如圖4所示的實驗平臺。其中，執行器為Physik Instrumente公司的N?111型壓電陶瓷驅動器，傳感器為D?E30型電容傳感器。

實驗采用的控制方案如圖5所示，其中，擴展卡爾曼濾波器將電容傳感器信號濾波之后反饋至PID控制器，PID控制器根據此反饋信號和三階軌跡規劃的輸出信號，對壓電陶瓷執行器的控制量做出計算。

實驗中EKF濾波公式各參數賦值如下：采樣周期[Ts]與系統相同，為0.001 s；過程噪聲與N?111型壓電陶瓷執行器的定位精度相關，根據對N?111大量實驗數據的統計分析結果，過程噪聲方差[Qk-1]取值[5×10-4]；觀測變量[yk]為電容傳感器在線測量值，觀測噪聲與電容傳感器精度相關，經過對D?E30型電容傳感器大量實驗數據的統計分析結果，觀測噪聲方差[R]取值為[2.5×10-4]；觀測增益[Hk]取值為1，轉移矩陣[Φkk-1]由算式[Φkk-1=I+f（tk-1）Ts]在線求得；EKF的初始條件為[x0=0，][P0=1]。

圖4 壓電陶瓷定位系統實驗平臺

圖5 電容傳感器容錯控制方案

實驗過程中，當電容傳感器在0.6～0.8 s之間第8個數據位出現故障、在1 s之后出現掉電故障，干涉儀測量值與EKF的估計值結果如圖6所示，EKF估計值誤差的絕對值如圖7所示。

圖6 干涉儀測量值與EKF估計值

圖7 EKF估計值誤差絕對值

由圖6和圖7的實驗結果可知，當電容傳感器出現故障時，雖然EKF估計值的絕對誤差和方差均有所增加，但絕對誤差仍被控制在3.5 μm之內，相比于圖2中未加EKF時的結果，濾波效果顯著。對于壓電陶瓷定位系統而言，EKF可以有效實現對電容傳感器的容錯控制。

4 結 語

本文將壓電陶瓷定位系統位移軌跡作為被估計的過程，對其擴展卡爾曼濾波分析后，提出基于三階軌跡規劃離散迭代算法的擴展卡爾曼濾波方法，這種方法可以有效避免非線性系統近似線性化的截斷誤差，避免大量的尋優實驗。實驗結果表明所提出的EKF算法能夠準確地估計出壓電陶瓷定位系統的位移軌跡，實現了電容傳感器容錯控制，提高了控制系統的魯棒性。

參考文獻

[1] 郭嘉亮，徐立松，閆豐.壓電陶瓷執行器半實物仿真系統研究[J].現代電子技術，2013，36（13）：138?141.

[2] 郭抗，鞏巖.6?PSS型光學元件精密軸向調節機構[J].光學精密工程，2013，21（10）：2649?2653.

[3] 趙磊，鞏巖，趙陽.光刻投影物鏡中的透鏡X?Y柔性微動調整機構[J].光學精密工程，2013，21（6）：1427?1431.

[4] 李朋志，葛川，蘇志德，等.基于動態模糊系統模型的壓電陶瓷驅動器控制[J].光學精密工程，2013，21（2）：395?397.

[5] AUGER F， HILAIRET M， GUERRERO J M， et al. Industrial applications of the kalman filter： a review [J]. IEEE Transactions on Industrial electronics， 2013， 60（12）： 5458?5467.

[6] 李波.基于擴展卡爾曼濾波的無位置傳感器PMSM系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

[7] 崔留爭，高思遠，賈宏光，等.神經網絡輔助卡爾曼濾波在組合導航中的應用[J].光學精密工程，2014，22（5）：1305?1309.

[8] 田紅兵，樊光南，宋龍.基于EKF和PF的多機器人協同定位技術[J].現代電子技術，2013，36（23）：95?98.

[9] 林瑞陽，楊東升，邱鋒.Unscented卡爾曼濾波對目標位置預測[J].現代電子技術，2014，37（1）：34?37.

[10] IDKHAJINE L， MONMASSON E， MAALOUF A. Fully FPGA?based sensorless control for synchronous AC drive using an extended Kalman filter [J]. IEEE Transactions on Industrial electronics， 2012， 59（10）： 3912?3915.

篇3

關鍵詞：壓電陶瓷；壓電聚合物；介電性能；壓電性能

1 引言

壓電效應的機理為具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化。而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現異號電荷。反之，壓電材料在電場中發生極化時，會因電荷中心的位移導致材料變形。壓電材料的這些特性能夠適應于環境的變化，實現機械能和電能之間的相互轉化。壓電陶瓷材料（如：BaTiO3、PZT和PbTiO3等）具有很高介電性、較強的壓電性和大的機電耦合系數等優點，但其成形溫度較高、制備工藝較復雜、不易制得很薄的薄膜材料，并且由于它固有的脆性，使壓電陶瓷材料的應用受到很大的限制。壓電聚合物材料（如：PVDF等）具有較高的介電性、較強的壓電性，并具有很高的機械強度和很好的柔韌性等優點，但其使用溫度較低，使其在應用上同樣受到很大限制。將壓電陶瓷與壓電聚合物復合成壓電復合材料，克服了壓電陶瓷材料自身的脆性和壓電聚合物材料的溫度限制，是智能材料系統與結構中最有前途的壓電材料[1～3]。通常兩相復合的壓電復合材料有10種連通方式[4]，其中0-3 型壓電復合材料是指壓電陶瓷粉末分散于三維連續的聚合物基體中形成的復合材料。由于0-3型壓電復合材料缺乏所需的應力集中因素，其中的壓電陶瓷相極化比較困難，使復合材料的壓電系數相對較小。但由于該類材料與其它類型壓電復合材料一樣能提高優值，減弱脆性、降低密度，并且無需高溫燒結，成形加工缺陷少、能耗低。當選擇恰當條件時，能實現無機/高聚物兩相間的良好界面結合與過渡，具有可柔性加工性、易于制造的特點。其優異的可柔性加工性能得到了人們的青睞。國內對其制備方法進行了許多的研究。具有代表性的有熱軋機壓法、流延法和干壓法[5～6]。這些方法普遍存在著陶瓷含量低、氣孔率大等不足，導致壓電復合材料性能難以提高。本文使用先進的復合材料模塑工藝，采用熱壓成形法，制備了一系列壓電復合材料，結果表明，所得材料具有較高的壓電常數和良好的柔性加工性能，并分析了無機壓電陶瓷種類、含量對復合材料介電性能和壓電性能的影響。

2 實驗內容

2.1 實驗材料

本文所采用的實驗原料有鋯鈦酸鉛（ PZT）和鈦酸鉛（PT）壓電陶瓷粉體。

2.2 試樣制備

本文中的PVDF/PZT和PVDF/PT壓電復合材料采用熱壓成形法制備，成形溫度為200℃、壓力為15 MPa。樣品的直徑均為10mm、厚度為0.12 mm。

2.3 性能測試

樣品經表面處理后，在其表面涂覆導電銀漿，烘干；然后，在硅油介質下，采用不同的極化條件，對試樣進行極化；最后，對相關壓電、介電性能等進行測試。

本文采用H.P.4192型介電頻譜測試儀，在室溫下測定試樣的ε和 tanδ值。采用Z-3A型準靜態d33測試儀，測定壓電復合材料的d33值。

3 結果分析與討論

3.1 壓電陶瓷含量對復合體系介電性能的影響

本文是在室溫及1MHz的條件下進行檢測的。圖1是復合材料的介電常數ε與陶瓷粉體的體積分數關系曲線。

從圖1中可以看出，無論對PVDF/PZT還是PVDF/PT體系，隨著陶瓷粉體體積分數的增加，ε值呈非線性增大，說明這類壓電復合材料的介電性能與陶瓷性能密切相關。研究發現，只有當陶瓷粉體體積分數超過某一數值時，復合材料才具有較大的ε值。當陶瓷體積分數低于50%時，復合體系的介電常數呈現很小的值。但當體積分數超過50%時，在實驗過程中，復合材料的介電常數迅速增大。在陶瓷粉體高含量區域間，由于樹脂的粘結力下降，兩相材料界面結合狀態劣化，導致氣孔率增大，致使材料性能參數有所下降，這也是材料耐壓性能下降的原因之一。另外，考慮到如果陶瓷粉體體積分數過大，將使復合材料難以成形，且材料發脆、機械性能差。因此，當陶瓷粉體的體積分數為60%～70%時，材料的性能較理想。

當電介質突然受到靜電場作用時，往往要經過一段時間（稱為弛豫時間），極化強度才能達到最終值，這種現象稱為極化弛豫。通常說，極化弛豫是由于取向極化所造成的。如果介質受交變電場作用，當交變電場的改變比較迅速時，極化將滯后，從而導致介質損耗。

在壓電復合材料中，不同含量的壓電陶瓷將影響復合體系的介電損耗。圖2是陶瓷體積分數與介電損耗tanδ的關系曲線。

由圖2可知，隨著陶瓷粉體體積分數的增加，復合材料的介電損耗tanδ呈非線性減小。

3.2 陶瓷種類對復合材料介電性能的影響

從圖1和圖2可以看出，不同種類的陶瓷對復合體系介電性能有一定的影響。當陶瓷粉體的體積含量低時，兩種復合體系的介電常數和介電損耗無很大差別，且都較小。其原因為復合體系的介電性能主要來自聚合物。因此，兩復合體系在陶瓷粉體體積含量少時差別不大。隨著陶瓷粉體體積分數的增大，PVDF/PZT體系的介電常數明顯提高，PVDF/PT體系的介電常數略微提高，但峰值不如PVDF/PZT體系的高。介電損耗兩者相當，無太大差別。隨著壓電陶瓷粉體體積分數的增加，作為功能相的壓電陶瓷對復合體系的貢獻越大，而PZT的介電常數遠大于PT，故隨著壓電陶瓷粉體體積分數增加，PVDF/PZT體系的介電性能要好于PVDF/PT體系。

3.3 壓電陶瓷粉體體積分數對復合材料壓電性能的影響

圖3是PVDF/PZT、PVDF/PT兩種復合材料的壓電常數d33與陶瓷體積含量的關系。

由圖3可知，隨著陶瓷粉體體積分數的增加，復合材料的d33值亦呈非線性增大，在體積含量超過50%時，d33值迅速增大。這是因為0-3型壓電復合材料的壓電性主要產生于壓電陶瓷粉末。在極化過程中，陶瓷顆粒在電場作用下，通過電疇取向產生剩余極化，整個復合材料的剩余極化強度是所有陶瓷顆粒的剩余極化強度疊加的結果。顯然，陶瓷顆粒濃度的增加必然引起復合材料剩余極化強度的增加，從而導致壓電性的增加。但是，由于陶瓷加工性能差，隨著陶瓷粉體體積分數的增加，復合材料的加工性能隨之也變差。因此，一般壓電復合材料中的壓電陶瓷粉體體積分數應選擇在60%～70%。

3.4 陶瓷種類對復合材料壓電性能的影響

從圖3中可以看出，不同種類的陶瓷對復合體系壓電性能有一定的影響。在低體積分數為30%時，兩種復合體系的壓電常數d33無很大差別，且都較小。其原因是0-3型壓電復合材料的壓電性主要產生于壓電陶瓷粉末，當壓電陶瓷粉體體積分數低時，復合體系的壓電性能較差。隨著陶瓷粉體體積分數的增大，由圖3可以看出，PVDF/PZT體系的壓電常數明顯提高，PVDF/PT體系的壓電常數也有提高，但d33值均不如PVDF/PZT體系的高。隨著壓電陶瓷粉體體積分數增加，作為功能相的壓電陶瓷對復合體系的貢獻就越大，而PZT的壓電常數比PT大。因此，隨著壓電陶瓷粉體體積分數增加，PVDF/PZT體系的壓電性能比PVDF/PZT體系的要好。

4 結論

（1） 對于同種材料，隨著壓電陶瓷粉體體積分數的增加，壓電復合材料的壓電常數、介電常數都有所增加。當陶瓷體積分數為70%時，復合材料具有較好的介電性能、壓電性能，且是綜合性能最佳的復合材料。

（2） 隨著壓電陶瓷粉體體積分數增加，PVDF/PZT體系的壓電性能比PVDF/PZT體系的要好。

參考文獻

[1] D.P.Skinner， R.E.Newnham and L.E. Cross. Flexible Composite Transducer[J]. Mat. Res. Bull.， 1978， 13： 599-607.

[2] D.K.Das-Gupta， K.Doughty. Polymer-ceramic Composite Materials With high Permittivities[J]. Thin Solid Film， 1988， 158：93-105.

[3] R.E.Newnham， D.P.Skinner， K.A.Klicker， A.S.Bhalla， B.Hardiman and T.R.Gururaja. Ferroelectric Ceramic-Plastic Composites for Piezoelectric and Pyroelectric Application[J]. Ferroelectric， 1980， 27： 49-55.

[4] Newnham R E， Skinner D P， Cross L E， et al. Connectivity and piezoelectric pyroelectric composites[J]. Mater Res Bull， 1978， 13： 525-536.

篇4

1、陶瓷牙套作為一種高科技修復牙齒的技術，其看起來更為逼真更為美麗一些，而且，在耐磨性和牢固性方面也有屬于自己的優勢，這種牙套的光彩看起來就像是自然牙一樣，生物的相容性也比較好，不會有刺激口腔組織的問題出現，而且，陶瓷牙套的清潔問題也比較簡單。

2、跟傳統的活動假牙相比較，這種牙套不僅能夠解決不一樣牙齒問題的人遇到的牙齒問題，還能夠為牙齒穿上一件比較牢固的隔離衣呢，讓其避免受到外界細菌帶來的侵害和困擾，讓牙齒變得更牢固一些，讓牙周變得更安心一些。

3、陶瓷牙套的制作工藝是非常細微細致的，其跟真牙齒的差別不大，所以，如果你是需要糾正畸形牙齒的成年人，那么，陶瓷牙套就是一個非常不錯的整牙方式。

4、雖然陶瓷牙套有很多優點，但是，其還是有屬于自己的缺點，陶瓷牙套的缺陷就表現在，其會對兩側鄰牙造成一定程度的磨損，這樣一來自然也會對自己的口腔造成一定的傷害，所以，大家在選擇這種牙套的時候一定要仔細考慮。

（來源：文章屋網 ）

篇5

關鍵詞：電壓互感器 二次回路 電壓切換繼電器 斷線監測

引 言：

現在電力系統中運行的各電壓等級的電壓互感器數量眾多，型號各異，新PT安裝投運時，常因PT接線錯誤導致出現PT高壓保險熔斷、低壓空開或保險斷開甚至燒毀PT等問題；同時由于全站二次電壓回路接線比較復雜，不易為現場人員掌握，還經常出現PT投運一段時間后，當一次系統發生接地或短路故障時，PT二次不能正確反映一次系統電壓，造成保護及安全自動裝置誤動或拒動，嚴重威脅系統的安全穩定運行。

1、二次電壓回路接線錯誤的原因分析

出現上述問題最常見的原因就是二次電壓回路接線錯誤，主要表現在以下幾個方面：（1）二次電壓回路相對地短接，一旦投運即熔斷保險或燒毀PT。

（2）PT開口三角電壓回路對相電壓回路短接，一旦投運將對PT一次反沖電，造成低壓空開跳閘或低壓保險熔斷。

（3）PT開口三角電壓回路對地短接，正常運行時由于開口 三角電壓接近于零沒有問題，一旦出現系統單相接地即熔斷高壓保險或燒毀PT。

（4）lO～35 kV防諧振4PT中，第四只PT 一次、二次繞組反極性接線如圖1，正常運行時由于第四只PT電壓接近于零沒有問題，～一旦出現系統單相接地，PT二次回路對地電壓將不再反應系統一次電壓，會誤導運行人員進行錯誤操作。

（5）PT運行過程中，PT接線盒至PT端子箱的這一段地埋電纜由于長期受潮銹蝕而斷線或短路，導致PT斷線或燒毀PT；當線路抽壓PT發生斷線時，還有可能導致線路開關非同期重合或拒合等嚴重事故。出現上述問題的原因從表面看都在于對PT原理不熟悉，或回路接線錯誤所致，其實最根本的原因在于缺乏有效的檢測手段。目前各地在設備安裝調試工作過程中，高壓試驗都是僅對單只PT自身進行，由于升壓設備容量限制，不能將全站二次設備電壓回路都帶上后再在PT一次加壓傳動。對二次電壓回路的檢驗僅僅依靠接線過程中工作人員核對二次線的辦法，檢查圖2中各連接電纜二次接線的正確性，而PT端子箱（高壓柜端子排）內和電壓切換及并列裝置內的二次電壓回路則不做檢查，僅依靠廠家保證其接線正確性。

由以上分析可知，對二次電壓回路的檢查全部都是依靠對線的辦法，而不能像試驗電流回路一樣對PT二次回路進行全面的一次加壓檢查試驗，造成在這一環節上無法實現質量監控的閉環管理，導致存在的問題不能及時發現糾正。

2、解決問題的方法

通過長期的摸索與實踐，筆者對如何解決上述問題有了一個較為成熟有效的方法，具體步驟如下：

（1）對于普通的3PT接線

① 接線完畢后斷開PT端子箱或高壓柜內二次空開及保險，拆下開口三角電壓回路至控制室內聯線。用1.5 V鉀電池在PT一次側逐相對地做點、拉試驗，在PT二次側（PT端子箱或高壓柜內二次空開或保險以前的端子排上）用指針表u A檔觀測其指針擺動情況，具體接線見圖3。若接線正確，則在點擊PT一次側時，指針應向右快速擺動，從PT一次側拉開時，指針應向左快速擺動；若接線時極性接反，則擺動情況正好相反；若有相對地短路或兩側接線線芯不一致的情況，則指針不會擺動。（注：觀測開口三角繞組時應與原理接線圖上所標示的極性一致）。

② 拉開PT一次隔離刀閘或手車以斷開PT切換重動繼電器，在PT端子箱或高壓柜內二次空開及保險下側接線端子上逐相對地加壓（也可三相同時加壓），在端子箱或高壓柜內二次空開及保險下側接線端子及端子排上檢測各相電壓對地及相間電壓正常，檢測開口三角電壓回路L應無電壓。

③ 推上PT一次隔離刀閘或手車使PT切換重動繼電器YQJ動作，在切換后各回路檢測各相電壓對地及相間電壓正常，檢測開口三角電壓回路L應無電壓。

④ 在PT端子箱或高壓柜內，將開口三角電壓回路L（拆下來的至控制室側線芯）任意短接至一相電壓上，檢測開口三角電壓回路L（切換前及切換后）均應正常。

⑤ 依次將各保護及安全自動裝置電壓回路投入，檢測各元件上三相電壓及開口三角電壓回路均應正常。

⑥ 兩段母線電壓回路分別檢查完畢后，同時在兩段母線PT端子箱或高壓柜對三相電壓及開口三角電壓回路加壓，在PT二次電壓回路并列繼電器根部核相正確后，將PT二次電壓回路并列應檢測正常。

⑦ 若本站一次接線存在特殊運行方式，如用旁路帶主變壓器開關運行見圖4，還需要檢驗其相應的電壓切換回路。

⑧ PT二次各繞組所對應的電壓回路均應有相應的二次電壓斷線監視回路。舉例如下：各保護電壓回路可以靠各保護元件PT斷線回路監測；計量電壓回路應加裝專門的計量斷線回路監測；線路抽壓PT弓l出的電壓應加裝一個電壓繼電器監視其電壓，以防I上保護在某些重合閘方式下不檢測線路電壓。在加壓試驗過程中應斷開某一相電壓檢測相應監視回路是否能正確報警。

（2）對于10～35 kV防諧振4PT接線

其他檢驗步驟均與普通3PT接線相同，需要注意的是在步驟① 中，需要首先對中性點PT做高壓試驗，確定其每個繞組的變比，然后才能進行極性試驗并按照圖5正確接線。

3、總結

本文提出了對PT及二次電壓回路進行檢測的新方法，通過對PT進行極性試驗和二次回路加壓傳動，可以對廠站全部二次電壓回路做到真正意義上的全面檢查，徹底杜絕了過去因缺乏有效檢測手段可能造成的各類接線錯誤，消除了潛在的隱患，滿足了系統安全穩定運行的要求在升二次電壓試驗中應特別注意以下幾點：

①二次電壓回路一般由保護（可能有些有兩組）和計量組成，在升二次電壓時應該一組一組的分別升，升某一組時檢查所有用到該組的地方都應該有，其他組應該沒有。

⑦在升二次電壓時為了區分開相別來，應該每一相升不同的幅值，在檢查每處電壓時該幅值就應該一一對應，但最大相應該在額定范圍內。

篇6

關于壓電陶瓷變壓器的研究始于20世紀50年代。美國G．E．Motorola Zenith公司的Rosen在1956年闡述了壓電陶瓷變壓器的基本工作原理，并成功地制備出長條形單片壓電陶瓷變壓器。但由于這種單片變壓器使用的是壓電性能較差的BaTiO3陶瓷材料，加上工藝不完善，升壓比很低，成本又很高，故當時沒有引起人們的重視。后來，隨著PZT系、三元系和四元系等壓電陶瓷材料的陸續出現，在20世紀70年代末和80年代初，壓電陶瓷變壓器開始進入實用化。從20世紀90年代末期開始，壓電陶瓷變壓器得到了蓬勃發展和比較廣泛的應用。

1 壓電陶瓷變壓器的基本結構及工作原理

壓電蜂鳴器和壓電點火棒是人們較熟悉的兩種壓電陶瓷產品。壓電蜂鳴器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應工作的，給其加上電信號，壓電陶瓷將產生振動而發出聲音；壓電點火棒是利用壓電陶瓷的正壓電效應工作的，給其加上機械壓力，在點火棒兩端即有高壓產生。這兩種器件的能量轉換形式是電能與機械能之間的單向轉換，而壓電陶瓷變壓器則是在同一壓電陶瓷上同時利用正和逆的壓電效應來進行工作的，即經過電能機械能和機械能電能的兩次能量變換。壓電陶瓷變壓器輸入端和輸出端的振動模式是不同的，因此壓電陶瓷變壓器實際上是一種特殊的壓電陶瓷換能振子。

壓電陶瓷變壓器按其形狀、電極和極化方向不同而有各種結構，其中最簡單和最為常用的是Rosen型單層長條形結構，如圖1所示。

由該圖可知，壓電陶瓷變壓器由兩部分組成，其中左半部分的上下兩面都有燒滲的銀電極，沿厚度(即從上到下)方向極化，作為輸入端，這部分稱為驅動部分；右半部分的端頭燒滲了銀電極，沿長度方向(即從左到右)極化，作為輸出端，這部分稱為發電部分。當交變電壓Uin加到壓電陶瓷變壓器的輸入端時，只要交變電壓頻率與壓電陶瓷的諧振頻率一致，就會通過逆壓電效應使變壓器產生沿長度方向上的伸縮振動，使輸入的電能轉化為機械能；而發電部分通過正壓電效應使機械能轉換為電能，產生電壓輸出。實際上，壓電陶瓷的左半部分相當于蜂鳴器，右半部分則類似于點火棒。圖1所示的壓電變壓器的長度大于厚度，如果輸入端為低阻抗，輸出端為高阻抗，則為升壓型變壓器。這種變壓器在幾伏或幾十伏的輸入電壓下，可以產生數千伏的輸出。在空載狀態時，壓電變壓器的開路升壓比N為

當材料一定時，Qm、k31和k33均為常數，壓電變壓器的變壓比N僅由L和t之比決定。由于QmL/t可以很大，因此可以制作升壓比足夠大的壓電陶瓷變壓器。

利用與圖1所示的Rosen變壓器相似的結構，可以制備如圖2所示的壓電陶瓷降壓變壓器。這種降壓變壓器是將圖1中所示的發電部分作為驅動部分，將驅動部分作為發電部分。通過這種變換，發電部分的輸入阻抗大于驅動部分的輸出阻抗，致使輸出電壓降低，電流增加。

壓電陶瓷變壓器除了利用橫向振動模式的器件結構形式外，還可利用徑向振動、厚度振動、彎曲振動等振動模式來設計和制造其他形式的壓電變壓器。利用厚度振動模式和徑向振動模式，同樣可以設計降壓或自耦降壓壓電陶瓷變壓器。

壓電陶瓷材料是一種脆性材料。為保障壓電陶瓷變壓器的機械強度，陶瓷片不能做得太長或太薄，因此限制了升壓比的提高。為了提高升壓比，人們將多層片式電容器( MLCC)的成熟工藝移植到壓電陶瓷變壓器的制備中，于是在20世紀90年代末，多層獨石型和片式壓電陶瓷變壓器陸續被推向市場。

圖3所示為多層片式陶瓷結構示意。這種疊層結構中的相鄰兩層陶瓷在厚度方向上的極化方向是相反的，各內電極間采用叉指方式交替地連接。在多層壓電陶瓷的總厚度與單片內電極 壓電陶瓷的厚度相同的情況下，與單片壓電陶瓷相比，N層壓電陶瓷的等效壓電系數(d33)則提高3N倍，電流量增加N2倍，電壓將下降N倍（因陶瓷承受的電場相同）。將這種陶 瓷結構用于壓電陶瓷變壓器的驅動和發電部分，可以通過陶瓷層數來改變變壓器的輸入和輸 出阻抗，從而改變變壓比和電流比。

2 壓電陶瓷變壓器的特性

壓電陶瓷變壓器的電特性參數有輸出功率（功率密度通常為15～20W/cm3）、輸入／輸 出電壓、工作頻率、負載阻抗、功率轉換效率、器件尺寸和工作溫度（通常低于60℃）等。

壓電陶瓷變壓器具有以下一般特性：

(1)壓電陶瓷變壓器輸出電壓的高低與頻率直接相關，其輸出電壓只有在諧振頻率附近（fr±lkHz內）才達到最大值；若偏離諧振頻率，電壓下降的幅度就很大。這是壓電陶瓷變壓器的重要特性，它與線繞變壓器不同，不能在較寬的頻率范圍內工作。壓電陶瓷變壓器的、諧振頻率會隨溫度的變化而變化，當環境溫度發生變化或變壓器工作時因自身機械和介質損耗而發熱時，都將引起諧振頻率的漂移。當用固定信號激勵時，諧振頻率的漂移會引起輸入電壓的變化，從而影響高壓電源的穩定工作。因此，在應用中，相應的驅動電路必須具有頻率自反饋跟蹤能力，方能使變壓器始終處于最佳工作狀態。

(2)壓電陶瓷變壓器在輸入電壓一定時，輸出電壓隨負載阻抗的減小而降低。這是由于壓電陶瓷變壓器的輸入阻抗較大（約十幾兆歐至數萬兆歐）而引起的。因此，在使用壓電陶瓷變壓器升壓的高壓電源中，當負載變化后，變壓器的輸出電壓變化較大，即它們的壓電調整率差，這時必須在電路中采取補償措施，以保證電源具有穩定的輸出電壓。

(3) 一般的線繞變壓器的輸入阻抗與負載阻抗是成正比的，而壓電陶瓷變壓器則相反，當減小其負載阻抗時，輸入阻抗反而增大。這種輸入阻抗與負載阻抗的特殊關系，在壓電陶瓷變壓器作為高壓電源時極為重要。因為當負載短路時，壓電陶瓷變壓器會自動斷電而不被燒毀，這是壓電陶瓷變壓器的一個優良特點。

(4)壓電陶瓷變壓器的安裝固定與配置對正確使用很重要。壓電陶瓷變壓器有半波模和全波模兩種安裝狀態，如圖4所示。

在固定陶瓷片時，支撐點必須選定在振動位移為零的地方，否則會嚴重影響升壓比和轉換效 率。半波模諧振的支撐點應在壓電陶瓷片的中間，全波模諧振的支撐點應在陶瓷片的1/4處。

3 壓電陶瓷變壓器的特點

壓電陶瓷變壓器與傳統繞線型變壓器比較，具有以下特點和優點：

(1)體積小，質量輕，器件幾何形狀呈超薄(厚度小于4mm)扁平結構，適宜片式化。同時，可根據實際需要制成長度和寬度振動模式的長方體壓電變壓器及徑向振動的圓柱體壓電變壓器等。

(2)采用阻燃性壓電陶瓷制成，不需要銅漆包線和磁心，沒有磁飽和現象，不怕潮濕，不怕短路燒毀，安全性好。

(3)工作時是以高頻振動的壓電方式來實現能量的轉換和傳輸的，不會產生也不受來自外界的電磁干擾。

(4)能量轉換效率高，一般可達90％以上，最高可達98％。

(5)輸出標準正弦波電壓，尤其適用于驅動快速啟動的冷陰極熒光燈(CCFL)。

(6)對于低阻負載具有準恒流輸出特性，不會產生反峰電壓，能對功率放大器起保護作用。

壓電陶瓷變壓器盡管有許多優點，但也存在一些不足之處，具體表現為：

(1)輸出功率較小，單層器件輸出功率一般僅為1～2W，多層器件輸出功率可達30W。目前成熟產品的輸出功率在10W之內，僅適用于小功率和高壓小電流領域。

(2)在應用中的配套電路比較復雜，對使用成本和系統可靠性都造成一定影響。

(3)壓電陶瓷變壓器有一定的諧振頻率，當工作頻率低于諧振頻率時，器件呈電容特性；高于諧振頻率時，器件呈電感特性；只有在諧振頻率附近時，器件才表現為電阻特性。因此，陶瓷變壓器的工作頻率受諧振頻率的限制，工作帶寬較窄，而電磁式變壓器不受帶寬限制，工作頻率范圍相對較寬。

4 壓電陶瓷變壓器的應用及其驅動電路

(1)應用領域

壓電陶瓷變壓器適用于高電壓、小電流和較低功率的電子儀器和設備中，符合電子產品小型化、輕量化、薄型化、高效化及高可靠等方面的要求。全球信息產業日新月異，對壓電陶瓷變壓器提出了巨大的市場需求。

目前，壓電陶瓷變壓器主要用于電壓升壓和降壓兩個方面。壓電陶瓷升壓變壓器的主要應用領域有冷陰極熒光燈驅動電路、液晶顯示器、小功率激光管、電子警棍、負離子發生器、臭氧發生器、靜電噴漆、靜電除塵、靜電復印機、掃描電子顯微鏡等高壓發生裝置中；降壓型壓電陶瓷變壓器主要用于各種小型AC/DC和DC/DC模塊電源、手提充電器和手機、攝像機等便攜式產品的AC/DC適配器。從目前的情況看，壓電陶瓷降壓變壓器的發展和應用滯后于壓電陶瓷升壓變壓器。

(2)基本驅動電路

在20世紀90年代中后期之前，人們利用當時現有的資源，大多采用開關電源通用PWM控制器IC再附加電路來驅動壓電陶瓷變壓器。后來隨著壓電陶瓷變壓器的迅速發展和日益廣泛的應用，使世界各大半導體公司看到了商機．紛紛開發并推出了壓電陶瓷變壓器專用驅動IC。這些IC具有較寬的輸入電壓范圍，能自動完成頻率掃描和跟蹤，以使壓電變壓器工作在準諧振狀態。此類驅動IC有很多，如HLMM936、UCC3976、UCC3977和DIT8545等。

壓電陶瓷變壓器的驅動電路有單開關單端驅動方式、關推挽和半橋驅動方式及四開關全橋驅動方式等幾種，其中單開關電路拓撲僅適用于驅動小功率壓電陶瓷變壓器，電路結構比較簡單。

1)高壓電源用單端驅動電路。圖5所示為高壓電源電路。該電路是一種DC/DC升壓變換器拓撲，壓電陶瓷變壓器TC用作升壓轉換器件。控制器IC的振蕩器頻率能跟蹤TC的諧振頻率，IC的輸出PWM信號驅動互補配置的晶體管VT1和VT2。當IC輸出高電平時，VT1導通，UCC經限流電阻R和VT1對MOSFET (VT3)的柵極電容Cgs充電。當VT3、柵極電壓達到開啟電平時，VT3導通，電流通過電感器L使其儲存能量。當IC輸出低電平時，VT1截止，VT2導通，VT3截止。在VT3截止時，在L中產生反電勢加至TC的輸入端，脈沖幅度為UCC的2倍左右。TC輸出端上產生的高頻正弦波電壓經VD1、VD2和電容器C整流濾波，輸出一個DC高壓(約3000V)。Ra、Rb為取樣電阻分壓器，在Rb上的采樣信號反饋到IC，使高壓輸出穩定在設定值上。TC為KH3005型壓電陶瓷變壓器，尺寸為30mm×5mm×2.6mm，額定輸出功率為3.5W，諧振頻率為55kHz，輸入電容為180pF，輸出電容為26pF。

表1列出了MPT系列壓電陶瓷變壓器的尺寸與參數，供選用時參考。

篇7

關鍵詞 升壓站；防誤；發電廠

中圖分類號TM6 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2014）110-0046-02

華電國際鄒縣發電廠升壓站目前220kV系統有5回出線，500kV系統有4回出線，220kV系統與500kV系統經兩絡變壓器聯結在一起。該廠8臺發電機經升壓站將強大的電能源源不斷的送向系統，是山東電網的樞紐變電站。

電氣運行的主要工作就是進行倒閘操作，來實現不同的運行方式以適應電網不同的運行要求。無論操作一次設備還是二次設備，都有發生誤操作事故的可能，而一旦發生事故，輕則損壞設備，重則人身傷亡。通過對該廠當前設備操作任務的分析，結合現場實際情況，找出發生誤操作事故的各種可能性，采取相應的措施，并制定出相應的對策，將其運用到實際工作中去，并使大家養成一個良好的操作習慣，使倒閘操作的正確率達到100%，杜絕誤操作事故的發生，確保升壓站設備的安全穩定運行。

1升壓站一二次設備防誤操作工作的重要性

1）鄒縣發電廠升壓站有500kV、220kV、35kV三個電壓等級，出線多，接線復雜，是山東電網的樞紐變電站，其地位特別重要。一旦發生誤操作事故，從小的方面說是降低該廠八臺機電量輸出，往大的講影響整個山東電網的安全運行，其后果不堪設想，杜絕誤操作事故的發生，是保證安全生產的重中之重；

2）當設備發生故障時，為了最大限度地減少故障對電力系統的影響，就要求繼電保護裝置快速、準確動作，將故障切除。保護裝置的正確動作與否，除了保護裝置本身的性能外，還與壓板的正確投、停息息相關；

3）該廠升壓站設備較多，500kV系統為3/2接線方式。其保護配置復雜，壓板操作次數多。要保證安全可靠運行，要求保護壓板的投、停正確率為100%；

4）電力系統發生故障或異常時，為維持非故障設備的繼續運行，對故障設備及時發現和處理十分必要。為保證系統運行的穩定性，要求故障的切除時間在幾毫秒之內。顯然，只有借助繼電保護及自動裝置，才能完成這個任務。

2 導致電氣誤操作事故的主要原因

1）通過歷年來發生的電氣誤操作事故，找出以下導致電氣誤操作事故的主要原因：倒閘操作時，無票操作，不按操作票執行，漏項、倒項操作；

2）操作過程中，嚴重違反操作票制度，監護人自行操作；

3）監護人不認真執行監護制度，使操作人失去監護；

4）操作票審查時不仔細，錯誤未審查出來；

5）未進行四核對，操作時走錯間隔；

6）設備原因；

7）無保護壓板模擬操作系統圖；

8）現場操作比較多，壓板質量差，接觸不良；

9）壓板名稱不明確，標簽位置不一致，很容易看錯；

10）人員精神狀態不佳、思想麻痹、精力不集中；

11）交接班時間進行倒閘操作及操作任務安排不合理。 

3 防誤操作因素性分析及針對性措施

操作票是電氣倒閘操作最基本的依據，是保證操作正確性的重要手段，操作票的正確與否直接決定著倒閘操作的成功率，對此，我們對影響填寫操作票正確性的各種因素進行討論、分析。

3.1導致操作票錯誤的原因

1）接受倒閘操作命令有錯誤；

2）典型操作票不合格；

3）填寫操作票不認真；

4）審核操作票不嚴格。

操作票管理制度執行不嚴格是發生電氣誤操作的主要原因，即使制度特別完善、非常健全，但是，各級人員在實際工作中，不按規章制度執行，從接令、填票、審核，未執行一級對一級負責原則，就可能導致誤操作的發生。

3.2 操作票制度執行不嚴，主要表現及應對措施：

1）接受、操作命令不規范。采取措施：嚴格執行調度規程的有關部分。

2） 操作人、監護人業務水平差。采取措施：

（1）提高培訓質量；

（2）熟練掌握一二次設備的性能；

（3）自身加強業務學習。

3）模擬操作不認真。采取措施：

（1）分項操作，嚴禁一次模擬完畢，每次只模擬要操作部分；

（2）保護動作，斷路器跳閘時，模擬圖要及時更改；

（3）模擬操作也必須唱票復誦；

（4）接令后進行模擬操作。

4）實際操作中，操作票制度執行不嚴格。采取措施：

（1）操作人、監護人必須是經過業務、安全培訓的定崗人員，精神狀態要佳；

（2）重大操作執行雙重監護制度；

（3）嚴格操作紀律，禁止做與操作無關的事情；

（4）操作中必須唱票、復誦，并進行四核對；

（5）監護人全程監護，操作人必須在監護人監護下操作；

（6）操作完一項后，再打“√”；

（7）操作中有疑問，必須向值班負責人弄清楚后再操作；

（8）合接地刀閘前必須驗電且用合適的絕緣工具；

（9）使用“萬能鑰匙”或解除閉鎖必須經值長同意。

1）操作時間、任務安排不合理。采取措施：倒閘操作必須遵守《調度規程》的規定，倒閘操作應盡量避免在交接班、高峰負荷和惡劣天氣時進行。避免安排當班的操作任務太多，操作時間長，無法按時完成，避免管理人員催趕操作人員快點操作，嚴禁操作過程中換人；如到交接班時間，必須操作告一段落后再進行交接班，雙方必須認真做好交接工作，使接班方清楚運行方式以及操作任務狀態、未操作內容；接班方應根據交班方提供的設備操作狀況，詳細檢查設備的狀態，并核對操作項后，對未完成的操作內容繼續操作；

2）操作安全措施票和Q點確認制度執行不嚴。采取措施：組織技術力量對措施票和Q點確認制度中不足的地方加以改進。把制度執行情況納入業績量化考核。

3.3影響保護投停正確率的主要因素有以下幾點：

1）沒有壓板模擬圖，無法進行壓板模擬操作。采取措施：制作保護壓板示意圖；

2）操作方法不當。保護壓板距離很近，當一個壓板投入或者停用時，如操作不當，會和相鄰的壓板相接觸，造成短路，引起保護誤動作，造成事故。采取措施：（1）制定一系列的壓板投、停制度，對照實際保護屏進行現場技術講課；（2）對距離近的保護壓板，規定其停用時的位置為壓板左側45°角，防止造成壓板短路；（3）跳閘壓板投入時，必須測量其上、下端確無異常電壓；（4）配備專用測量壓板儀表，防止儀表打錯檔位造成保護誤動；（5）操作壓板必須兩人進行，一人監護，一人操作，嚴禁單人操作壓板；

3）操作票填寫不規范。采取措施：規范《典型操作票》，規定保護裝置上每一開關、壓板的操作及檢查，均必須填入操作票。

4 效果檢查

1）歷年操作統計

經過對每年的操作統計，操作票合格率和操作正確率均達到100%。

2）尤其可貴的是經過長期的努力，該廠已經養成了一種良好的操作習慣。比如：驗電器的使用，首先在有電設備上檢驗驗電器完好無損，然后再對要停電設備進行驗電。未經過Q點確認，嚴禁執行下一項的習慣。

3）經濟效益檢查

若發生電氣誤操作不但會給設備和人身帶來極大的危害，還會給該廠帶來很大的經濟損失。例如：500kV線路跳閘，必將減少發電機出力或者停一臺機，除了少發電，還增加了開、停機費用，造成很大的經濟損失，所以，防止電氣誤操作可產生巨大的經濟效益。

4）管理效益檢查

通過對策的實施，提高了安全生產水平，網控班安全生產天數創造了10400余天的新高，促進了班組管理水平的提高。

篇8

關鍵詞：壓電陶瓷片；共振；霧化；光路；可視化

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）3-0062-2

1 實驗原理

該設計針對教科版初中物理八年級上冊第四章中光的傳播原理、折射反射原理、透鏡成像規律等知識點[1]，創新設計了利用新材料壓電陶瓷片共振時[2]，能直接將與壓電陶瓷接觸的水霧化成微小的水珠產生霧氣，設計制作了光路可視化的實驗裝置。該裝置可以清晰地展示光的直線傳播、折射反射定律、透鏡成像、望遠鏡的原理等涉及光路演示的有關實驗。使學生對光學有一個全面的、立體的、可視的認知。

2 實驗裝置設計

圖1所示為壓電陶瓷共振霧化水電路設計示意圖，我們可以看到此電路分為變壓電源、壓電陶瓷振蕩器和簡易水槽三部分組成。使用時，可通過適當調節變壓電源上的變壓旋鈕，來控制水霧化的速度。圖1中左下插圖為壓電陶瓷振蕩器的實體圖，該設計選定型號為20 mm的壓電陶瓷振蕩器為本設計的霧化源，如插圖所示，其為圓環形狀，中間噴霧，驅動電壓為DC3―DC12 V，具有高轉換效率，霧化力量大和價格低廉等特點。

圖2所示為該設計整體實驗裝置的實物結構圖，其由透明性較好的有機玻璃和卡扣組成半密閉性空間，內置相關光學實驗所需的配套實驗器材，以普遍且價格相對低廉的激光筆作為光源。

4 教具使用方法

（1）此教具學生可以人手一套，引導學生進行分組實驗。透明的外殼由卡扣和有機玻璃板組合而成，學生可拼裝箱子的大小，根據其所要探究的實驗，制作教具，并分析產生該現象的原因。

（2）教具可以結合攝像頭、投影儀等多媒體器件，進行演示實驗。

（3）教具進行光路演示時注意遮擋日光，效果更加明顯。

5 教具特色

（1）實驗設計的特色是利用新材料壓電陶瓷所固有超聲波振蕩特點，當振蕩電路的振蕩頻率與壓電陶瓷的固有振蕩頻率相同時產生共振，可以直接將與壓電陶瓷接觸的水霧化成微小的水珠從而產生霧氣。教具的最大亮點是實現了光路的可視化，打破了傳統的教與學形成的固定思維，巧妙地將看不見摸不著的光路呈現到學生面前。實驗設計更有助于學生觀察理解光學現象，同時也達到激發興趣、培養能力的目的。

（2）實驗裝置具有操作簡單，便于拼裝，現象明顯，使用安全，可演示大部分涉及光路的實驗，并能驗證一些生活中的現象。例如，舞臺用的追光燈是把光源放在凸透鏡的焦點上，使透鏡發出平行光，然后照射在舞臺上。

（3）實驗裝置采用新材料，成本廉價，取材于生活，體現了物理源于生活、回歸生活的本質。

（4）可引導鼓勵學生，自己動手制作教具，從而達到了寓教于樂的目的。

6 注意事項

由于實驗中用到了激光筆，使用時要注意引導學生正確操作，不要相互照射，以避免損傷學生的眼睛。

參考文獻：

篇9

關鍵詞：創新設計 壓電技術 電暖鞋

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0061-01

鞋子是人們日常生活的必需品，隨著生活水平的不斷提高，人們對鞋子的要求不僅僅從美觀上升到了舒適，甚至追求其實現更多的功能來滿足人們對高品質生活的追求。你是否還在為冬天的鞋子抵擋不住嚴寒的天氣而煩惱？你是否還在為鞋子不停的汗濕而憂愁？立足于此，我們設想了一款以保暖為主要功能的電暖鞋。

1 原理

1.1 壓電材料發電原理

當一陶瓷片在壓力作用下上下表面產生電荷，其相當于一個電容，電容在其兩極產生電荷后就儲存了一定能量。從電學角度來看，壓電片可以簡化為一個正弦電流源ip（t），與內在的電極電容Cp并聯，如下所示。假設電流源和電極電容Cp恒定，負載可調。由戴維南等效定理，該電路中阻抗為：

當時，即外接負載電阻和壓電片等效阻抗相等時，負載吸收的能量最大。

1.2 能量傳輸和利用效率分析

當作用在壓電片上的力消失后，壓電元件產生的電荷立即消失。因此，需要外接電容對壓電元件產生的電荷進行儲存。設壓電元件間電容為Cp，外接電容為C，產生的電能在兩者之間再分配，根據傳輸結束后電壓相等的關系，設C=aCp，其中，C為外接電容；Cp為壓電元件間電容；。則電容C上儲存的能量與產生能量的傳輸效率：

當，得a=1到。即C=Cp時，傳輸效率最大，此時n=25%。

1.3 能量收集過程

1.3.1 能量收集原理

壓電元件產生的電荷是瞬間和交替的， 是以不規則的隨機突發形式提供能量，由于受力的方向不同，極化方向不同，故而產生的電流方向也不同，使得壓電陶瓷產生的是微弱的交流電。在能量收集過程中，我們將壓電陶瓷與整流電路相連，將交流轉化為直流。由于產生的電壓與壓力有關，壓力的大小直接影響電壓的大小，所以產生的電能是不穩定的。為了收集產生的電能，我們將電能與充電芯片相連，產生恒流對充電電池進行充電。

1.3.2 能量收集電路

我們使用CN3063芯片作為控制芯片對鋰電池進行充電，運行無需微處理器控制，可以將一節鋰電池恒流充電達500mA。當輸入電壓大于低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3063開始對電池充電，CHRG管腳輸出低電平，表示充電正在進行。如果電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓低于3V，充電器用小電流對電池進行預充電。當電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓超過3V時，充電器采用恒流模式對電池充電， 充電電流由ISET管腳和GND之間的電阻RISET確定。

1.4 電路控制

電路控制部分主要由51單片機（stc89 c51）、傳感器、執行器和隔離電路組成。STC89C52RC是采用8051核的ISP（In System Programming）系統可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內含8K Bytes的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。本項目使用的是溫度和濕度傳感器，測濕電路與單片機相連，利用覆蓋在基片上的一層感濕材料制成的膜來吸附水蒸氣導致濕敏電阻電阻率和電阻值發生變化的特性來測試濕度。通過溫度傳感器來檢測周圍溫度的變化從而形成控制信號。執行器采用的是熱電偶，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后 ， 即可知道被測介質的溫度。由半導體管敏感器件和發光二極管構成光電隔離電路，工作時把輸入信號加到輸入端，使發光管發光，光敏器件在磁光輻射下輸出光電流，從而實現電光點的兩次轉換。

2 組合方式

為增強發電裝置的發電能力，可以采用多片壓電振子并聯或者串聯的方式。

由于壓電振子在每個振動周期產生的能量很小，且輸出為高電壓低電流的交流電。在實驗中采取壓電陶瓷并聯的方式，可以獲取更大的電流。同時，在能量收集電路中，外接電容與壓電陶瓷極間電容相等時，能量傳輸效率最大，為25%。在壓力一定的情況下，壓電陶瓷裝置的發電能力隨著片數的增加呈現遞增態勢，因此，也可以增加壓電陶瓷片數，來提高輸出功率。

3 結語

通過以上設想，理論上能把人行走過程中的一部分能量轉化為電能，達到節能的目的。盡管現在的設計還不夠純熟，但隨著科學技術的不斷更新和發展，新材料的不斷涌現，定會使發電效率大大的提高，做出真正實用的物品。

參考文獻

[1] 吳建遠，姚永剛，丁芩華.基于壓電陶瓷的人體能量收集系統的研制[J].壓電與聲光，2012（4）.

篇10

本發明涉及一種陶瓷基復合材料成形技術，綜合了壓注、注凝、浸滲的原理，用以制備形狀復雜、結構組分密度均勻、高強度的陶瓷基復合材料坯體，再進行燒結即可獲得高韌性陶瓷基復合材料制品。本發明提出的技術是一種創新的、制備高性能復雜形狀纖維增強陶瓷基復合材料的低成本、近凈尺寸的成形技術，與現有纖維增強陶瓷基復合材料成形制備技術相比，具有明顯的優越性，成形時間短、生產效率高。

專利號：200810228400.2

氮化鋁陶瓷材料及其制備方法

本發明公開了一種氮化鋁陶瓷材料及其制備方法。該方法是在現有常用制備方法的原料中添加納米氧化鋁，再按照常規制備工藝進行制備。可通過直接添加納米氧化鋁或添加有機鋁，如仲丁醇鋁、異丙醇鋁或乙酰丙酮鋁，并借助有機鋁的低溫分解間接獲得原位生長的納米氧化鋁。該方法可應用于干壓成形和流延成形，采用常壓或熱壓燒結等陶瓷制備工藝，可獲得分散特性好、均勻混合的氮化鋁和納米氧化鋁漿料，有利于提高物料的燒結活性、降低燒結溫度，以及提高陶瓷基板的色澤一致性、平整度和粗糙度，降低生產成本，在氮化鋁陶瓷生產領域具有廣泛的應用。

專利號：200810224311.0

一種碳化硅陶瓷的制備方法

本發明公開了一種碳化硅陶瓷的制備方法，具體為：采用固相燒結法，將竹炭粉碎研磨后，與硅粉按質量比1:3混合，將硅碳混合物與酚醛樹脂按質量體積比為1:1混合均勻；將混合物在140℃下預加熱成形；在真空或者Ar氣氛狀態下，將溫度升高到設定的最終燒結溫度進行高溫燒結；保持溫度30min，冷卻制得SiC陶瓷材料。本發明利用竹材生物結構通過高溫燒結而得到的碳化物材料，竹材在絕氧條件下進行炭化得到具有竹材孔隙結構的炭骨架，以此作為陶瓷相滲入和反應的生物模板，通過金屬或者無機非金屬物質滲入、燒結反應，使得到的陶瓷不僅具有竹材的精細結構，而且增加了反應面積，提高了合成速度，具有一般陶瓷制備方法無法比擬的優點。

專利號：200810224957.9

精鑄用自反應氧化鋁基復合陶瓷型芯及其制備方法

本發明提供了精鑄用自反應氧化鋁基復合陶瓷型芯及其制備方法，該復合陶瓷型芯是由剛玉粉及原位合成的鈦酸鋁、二鈦酸鎂和莫來石組成，所述復合陶瓷型芯由下列重量配比的原料制成：不同粒度的剛玉粉70～85%、氧化鎂粉0～2%、二氧化鈦粉8～20%、藍晶石粉6～10%，并加入占該四種原料總質量的1～3%的碳粉作為易潰散劑。所述方法將前述原料混合，干壓成形后高溫燒制而成。本發明氧化鋁基體中添加其他原料，所制備的陶瓷型芯高溫化學穩定性和熱穩定性良好；熱膨脹系數較低；燒結后收縮率小，室溫和高溫強度均滿足精密鑄造用陶瓷型芯的要求。

專利號：200810199121.8

一種高性能中低溫燒結高壓陶瓷電容器介質

一種高性能中低溫燒結高壓陶瓷電容器介質，涉及無機非金屬材料技術領域，它采用常規的高壓陶瓷電容器介質制備方法，利用電容器陶瓷的普通化學原料，制備得到無鉛、無鎘的無毒高性能中低溫燒結(燒結溫度為1100～1150℃)的高壓高穩定陶瓷的電容器介質，該介質適合于制備單片陶瓷電容器和多層片式陶瓷電容器，能大大降低陶瓷電容器的成本，并且在制備和使用過程中不污染環境，其特征在于所述介質的配方包括(重量百分比)： BaTiO3 58～92%、SrTiO3 2～19%、CaZrO3 0.5～10%、Nb2O5 0.05～1%、Y2O3 0.03～1.0%、Co2O3 0.03～1.0%、Bi2Sn2O7 6～30%；其中BaTiO3、SrTiO3、CaZrO3分別是采用常規的化學原料以固相法合成。其耐壓高，可達10kV/mm以上，介電常數為2200～3500，電容溫度變化率小，符合X7R特性、Y5T和Y5U特性的要求，使用過程中性能穩定性好，安全性高，對環境無污染。

專利號：200810155056.9

一種用于降低電聲轉換器壓電陶瓷燒結溫度的添加物