用光纤光栅传感器研究压电陶瓷的特性

提出了一种利用光纤光栅传感器研究压电陶瓷特性的新方法.该方法采用非平衡Michelson扫描干涉仪对光纤光栅传感信号进行相位解调,通过观测波长漂移引起的相移,从而获得压电陶瓷的位移量与所加电压间的关系.实验分析了迟滞特性和蠕变现象,得到了压电陶瓷的电压-位移特性曲线以及蠕变特性曲线.实验表明,光源功率的波动对压电陶瓷迟滞特性不能造成影响且压电陶瓷的蠕变特性与电压方向无关.     

用光纤光栅传感器研究压电陶瓷的特性

提出了一种利用光纤光栅传感器研究压电陶瓷特性的新方法.该方法采用非平衡Michelson扫描干涉仪对光纤光栅传感信号进行相位解调,通过观测波长漂移引起的相移,从而获得压电陶瓷的位移量与所加电压间的关系.实验分析了迟滞特性和蠕变现象,得到了压电陶瓷的电压-位移特性曲线以及蠕变特性曲线.实验表明,光源功率的波动对压电陶瓷迟...     

原子力显微镜的压电陶瓷非线性及图象畸变的校正

研制了卧式原子力显微镜(AFM)系统,讨论压电陶瓷的非线性及AFM图象畸变的软件校正方法.提出利用光束偏转法精确测定XY扫描器压电陶瓷的伸长量与控制电压之间的相互关系,得到压电陶瓷的非线性曲线;根据非线性的偏离程度,通过扫描软件对X和Y方向的扫描电压作逐点补偿,据此有效地校正图象畸变.并给出分别用未校正软件与校正软件扫描获得的部分样品的AFM图象.     

压电陶瓷压电特性的激光调制法测量研究

介绍可测量压电陶瓷压电特性的激光干涉调制测量方法.采用相干检测原理对信号进行提取,不仅可以抑制噪声对干涉信号的影响,而且还可以大大降低光电探测器和电路的1/f噪声.与通常干涉仪测量方法相比,这种方法具有测量灵敏度高等优点.利用该方法对压电陶瓷压电特性进行了测量,讨论了激励电压信号的频率、幅度对压电陶瓷压电常数d₃₁的影响,并对其压电迟滞曲线进行了测量.     

基于迟滞非线性补偿系统的光学元件形貌检测

为了减少相移干涉仪中压电陶瓷致动器进行相移时,其迟滞非线性对相移算法中的相位计算带来的误差,设计了一套压电陶瓷致动器的控制系统.利用高精度电阻应变传感器和基于锁相放大原理的信号调理电路检测压电陶瓷致动器位移,建立多项式数学模型描述迟滞非线性,然后提出了一种前馈开环控制方法补偿其迟滞非线性.最后,基于所提出的方案对压电陶瓷致动器进行了期望轨迹的跟踪控制实验,同时将补偿控制系统与干涉仪相结合检测光学元件表面形貌.实验结果表明:补偿后,压电陶瓷致动器的跟踪误差在-0.156μm与+0.078μm之间,迟滞非线性度由10.4%降到2.4%,且干涉仪所测得的光学元件表面面形起伏高度均方根和峰谷分别改变了0.795nm和3.937nm.该系统对于高精度的光学元件形貌检测具有重要的意义.     

基于金刚石色心自旋磁共振效应的微位移测量方法

基于压电陶瓷精密微位移系统的扫描探测技术是目前精密测量仪器进行微纳区域/结构性能测试的核心系统,但压电陶瓷材料存在迟滞、非线性问题,限制了对微位移分辨能力的提升.本文以金刚石氮空位色心为敏感单元,利用电子自旋效应对磁场强度的高分辨敏感机理,结合永磁体周围不同位置对应的磁场强度变化关系,提出了一种基于金刚石氮空位色心电子自旋敏感机理的微位移检测方法.通过建立电子自旋效应与微位移的关联模型,搭建了相应的微位移测量系统.经实验验证,该系统对微位移测试的灵敏度为16.67 V/mm,检测分辨率达到60 nm,实现了对微位移的高分辨率测量.并通过理论分析,该系统的微位移测量分辨率可进一步提升至亚纳米级水平,为新型微位移测量技术提供了发展方向和研究思路.     

基于虚拟仪器的压电陶瓷驱动技术研究

针对压电陶瓷驱动器的非线性应变,以压电陶瓷微位移驱动原理为基础,分析了扫频激光器腔长控制原理;在硬件时钟的定时下,分析了压电陶瓷的驱动特性,并通过调整驱动信号的步长电压来调节压电陶瓷的非线性。设计了基于虚拟仪器的控制系统,并对线性化方法进行了原理分析和实验。实验结果表明,该测量系统可以使压电陶瓷在其伸长范围内线性地伸长。     

用于移相干涉的高精度可伸缩PZT驱动电源技术

针对现有的三压电陶瓷移相器难以驱动大口径参考镜进行移相干涉测量的问题,设计了一种用于被测镜单压电陶瓷驱动移相干涉测量系统的高精度压电陶瓷移相器驱动电源。电源采用误差放大式结构,根据输入信号与输出采样的偏差,通过比例作差与光耦隔离等环节输出控制信号,进而控制MOSFET的导通状态调整充放电电流,控制由倍压整流电路生成的直流高压源进行输出,实现对驱动电源输出电压的稳定控制。实验表明其高精度压电陶瓷驱动电源具有在-600～+600V范围内输出连续可调电压的能力,且纹波小于20mV,线性度和精确度高,稳定性好,可实现压电陶瓷的可伸缩精确移相,满足被测镜移相干涉测量系统进行大口径被测镜高精度面形测量的要求。     

基于压电陶瓷迟滞特性模型的原子力显微镜仿真平台研究

将基于双二次拉格朗日插值方法的压电陶瓷迟滞非线性Preisach模型,加到原子力显微镜(AFM)仿真平台中,实现在任意加压情况下由于迟滞效应所产生的图像畸变的仿真,更准确地反映原子力显微镜的扫描结果,使得学生在仿真实验中能更好地掌握AFM实验的真实情况.为了校正样品图像的畸变,提出搜索求逆算法,并利用此算法对Preisach模型进行精确求逆,通过改变输入电压抵消了压电陶瓷迟滞效应带来的非线性特性.仿真结果表明,该方法有效地校正了样品图像的畸变.     

基于PA92的F-P扫描干涉仪设计

使用STM32F103ZET6单片机控制,采用PA92功率放大器驱动压电陶瓷,设计了532nm平平腔结构的F-P扫描干涉仪。腔镜反射率为99%,精细度310,腔长0.1~150mm连续可调,对应自由光谱区1~1500GHz和分辨率3.2~4800MHz连续可调。压电陶瓷驱动电压和频率通过编码器调节,可以在0~200V和1~100Hz连续可调,并显示在数码管上。同时可以通过RS232串口与计算机通讯,在上位机使用LabVIEW软件界面方便地设置压电陶瓷驱动电压和频率。使用F-P扫描干涉仪,对激光二极管泵浦Nd∶YVO4/KTP绿光激光器纵模进行了测量,验证了整个系统的工作性能稳定可靠。     

基于单神经元PID控制器的压电陶瓷控制方法

卫星地面综合测试是卫星研制过程中的重要环节,对系统功能验证及性能评估具有重要作用。传统的卫星地面综合测试系统存在研制周期长、投入较大、自动化流程不够完整、可重用性较差等不足。而北斗导航卫星地面综合测试系统采用分布式、高实时性、可配置、多主机的集成体系结构,是集计算机通讯、实时控制、实时数据处理、事后分析等功能于一体的测试系统,适用于从卫星总装集成到发射各个阶段的电气测试。通过卫星系统级的各项接口、功能、性能指标测试,表明该系统满足支持系统论证、状态确认、问题排查等测试需求,有力支撑了北斗导航卫星的成功发射和在轨运行。     

Au/PZT/BIT/p-Si异质结的制备与性能研究

采用脉冲激光沉积(PLD)工艺,制备了以Bi₄Ti₃O₁₂(BIT)为过渡阻挡层的Au/PZT/BIT/p-Si异质结.研究了BIT铁电层对Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃(PZT)薄膜晶相结构、铁电及介电性能的影响,对Au/PZT/BIT/p-Si异质结的导电机制进行了讨论.氧气氛530℃淀积的PZT为多晶铁电薄膜,与直接淀积在Si基片上相比,加入BIT铁电层后PZT铁 关键词： 铁电薄膜 异质结构 脉冲激光沉积(PLD)     

On the nonlinear primary resonances of a piezoelectric laminated micro system under electrostatic control voltage

In this article, a comprehensive nonlinear analysis for a piezoelectric laminated micro system around its static deflection is presented. This static deflection is created by an electrostatic DC control voltage through an electrode plate. The micro system beam is assumed as an elastic Euler-Bernoulli beam with clamped-free end conditions. The dynamic equations of this model have been derived by using the Hamilton method and considering the nonlinear inertia, curvature, piezoelectric and electrostatic terms. The static and dynamic solutions have been achieved by using the Galerkin method and the multiple-scales perturbation approach, respectively. The results are compared with numerical and other existing experimental results. By studying the primary resonance excitation, the effects of different parameters such as geometry, material and excitations voltage on the system?s softening and hardening behaviors are evaluated. In a piezoelectrically actuated micro system it was showed that because of existence of curvature and inertia nonlinear terms a small change in excitation amplitude can lead to the formation and expansion of nonlinear response. In this paper, it is demonstrated that by applying an electrostatic DC control voltage, these nonlinearities can be controlled and altered to a linear domain. This model can be used to design a nano or micro-scale smart device.     

偏置电压对磁致伸缩/压电层合换能结构磁电性能影响

分析和测试了偏置电压调整时PZT5/Terfenol-D/PZT8层合换能结构磁电性能. 提出了一种磁致伸缩/压电层合磁电换能结构的一阶谐振频率控制方法. 通过改变压电驱动层的直流电压对磁电层合结构的预应变进行改变, 从而调整谐振频率. 分析偏置电压、 应变、 弹性模量、 谐振频率和谐振磁电电压系数之间关系. 分析表明: 在较小应变情况下, 控制电压几乎可以线性调节谐振频率, 而层合结构谐振磁电电压系数几乎与偏置电压无关. 实验研究验证: 理论与实验结果较好吻合. 在-170 V-+170 V的偏置电压时, 谐振频率可以几乎线性调整. 最大频率调整量达到1 kHz, 偏置电压对一阶纵振频率的控制率达到: 2.94 Hz/V. 在偏置磁场为0-225 Oe时, 谐振频率调整量与偏置磁场无关. 偏置磁场会改变谐振磁电电压系数, 在大于178 Oe静态磁场偏置时, 磁电电压系数最大, 达到1.65 V/Oe.     

纳米表面相互作用及振动测头模型

如何实现高精度的测量是现代制造业及微电子技术领域的热点问题之一. 基于微纳米测头的三坐标测量机是当前实现高精度测量的重要手段. 随着测量尺寸的减小, 常用的纳米/微纳尺度的测头与待测表面之间形成静态接触, 其表面相互作用成为了影响其测量精度和可靠性的关键因素之一. 本文基于一种触发式振动测头, 研究了其动力学模型, 并通过对测头纳米尺度表面相互作用的理论分析及数值模拟, 确立了测头振动参数与表面相互作用之间的关联. 实验研究表明, 参数优化后的谐振微纳测头能有效抑制表面作用带来的干扰, 提高测量精度.     

基于STC单片机F-P扫描干涉仪的设计

通过分析F-P扫描干涉仪的工作原理,基于STC89C52RC单片机,采用PA93功率放大器驱动压电陶瓷,设计了1 064nm平平腔结构的F-P扫描干涉仪。腔镜反射率为98%,精细度156,腔长0.1~100mm连续可调,对应自由光谱区1.5~1 500GHz和分辨率9.65~9 650MHz。压电陶瓷驱动电压和频率通过4×4矩阵键盘,可以在0~200V和1~30Hz连续可调,显示在1 602液晶屏上。同时可以通过RS232串口与计算机通讯,在上位机使用LabVIEW软件界面方便地设置压电陶瓷驱动电压和频率。最后使用该F-P扫描干涉仪,对激光二极管泵浦Nd:YVO4激光器纵模进行了测量,验证了整个系统的工作性能。     

Observation of zero creep in piezoelectric actuators

Piezoelectric actuators are frequently used nowadays in a wide variety of positioning devices. Although very suitable for small displacements in the range of nm to several hundreds of μm, the actuators always suffer from hysteresis and creep between the input voltage and resulting displacements. In scanning applications, the input voltage is often used as an indicator of the induced displacement. This procedure can result in a large position error depending on the amount of hysteresis and creep. In order to describe and control hysteretic systems various models for hysteresis have been published but little is known about relaxation and creep in piezo materials. In this paper we present detailed studies of the hysteretic behavior and piezo relaxation and creep. We have identified certain locations on the hysteresis loop that exhibit zero creep. From this observation, a more fundamental relation between the amount of creep and the local slope of the hysteresis loop and the virgin curve is presented. This observation could be useful in both open-loop and closed-loop position control, since it allows quantification of the creep. Futhermore, the experimentally observed relation between the creep and the hysteresis suggests a reduction of the creep for non-hysteretic transfers. First measurements on a system with reduced hysteresis support this hypothesis. Received: 15 February 1999 / Accepted: 16 February 1999 / Published online: 28 April 1999     

用于高功率激光脉冲整形的可编程任意波形电脉冲发生器

研制了一种基于GaAs场效应管与超快脉冲信号微带传输的可编程任意波形发生器.它由计算机控制的多路高准确度偏置电压，多个级联的GaAs场效应管基元电路，以及微带脉冲传输线组成．输出电脉冲波形导入LiNbO3集成光波导调制器，经过电光调制获得相应的激光脉冲波形．通过计算机设置各基d元电路中GaAs场效应管栅极偏压，进而控制整形电脉冲的形状，使高功率激光装置前端时域脉冲整形实现远程控制．     

80 kV可调节高压脉冲方波脉冲电源的研制

研制了80 kV可调节高压脉冲方波电源系统以对ZnO样品特性进行测试,实现电源输出脉宽、重复频率、运行时间可调。系统采用人工形成线、脉冲变压器加可调节负载电阻等技术路线,实现了高压方波脉冲的输出;采用高速数据I/O卡产生序列脉冲信号控制两个火花间隙开关的通断,对人工形成线形成的方波进行截尾,实现了输出方波宽度可调;利用Labview中的图形化控件,编写友好简洁的计算机控制界面;采用光电隔离、光纤传输和供电隔离等一系列措施,提高触发控制系统的抗干扰能力。实验结果表明,最终电源输出电压幅值超过80 kV,输出方波脉冲宽度超过25 s,脉冲前沿小于0.7 s,并且输出电压幅值可调,脉冲宽度在输出范围内可连续调节。利用该电源对ZnO压敏电阻样品进行了测试,得到了较好的ZnO压敏电阻非线性伏安特性曲线。