0-1极化PLZT陶瓷光致特性及光控微镜驱动基础研究

发布时间：2020-10-14 06:17

　　 微镜是微光机电系统中一种重要的光学器件,被广泛应用于光学系统、微机械光开关、精密测量、医疗成像、生物技术和航空航天等国防和民用领域。针对目前微镜驱动方式需电磁激发装置,易引入电磁干扰,无法在独立环境中工作等问题,开展了镧改性锆钛酸铅(PLZT)陶瓷驱动的光控微镜以及光激励控制策略的基础研究。与传统微镜驱动方式相比,PLZT陶瓷驱动的光控微镜无需导线连接外电源,具有驱动清洁、无电磁干扰、无线能量驱动以及非接触激励控制等优点,适于洁净操作空间及真空环境等独立工作环境下的远程非接触操作,具有重要的理论研究价值及工程应用研究意义。本文采用理论研究、计算仿真和实验研究相结合的方法,针对0-1极化PLZT陶瓷的光致特性及其影响因素、0-1极化PLZT陶瓷光致多物理场耦合数学模型构建、光致作动器的驱动性能改进措施及新型光控复合驱动研究、光控PLZT陶瓷驱动微镜的结构设计及其控制策略原理性验证实验等问题进行研究,为光控驱动智能材料与结构在工程领域的应用提供理论依据。通过0-1极化PLZT陶瓷光致特性静态实验,研究了光照阶段光生电压与光致形变的变化规律、光致形变与光生电压之间的迟滞现象、光停后电极间出现的反向电压现象以及残余电压/应变的变化规律;然后对相关实验现象的产生机理进行了实验验证,揭示了导致光致形变与光生电压之间存在迟滞现象和光生电压变化趋势的产生机理及主要影响因素,并指出该影响因素在构建0-1极化PLZT陶瓷数学模型时不可被忽略。采用理论研究和实验研究相结合的方法,建立了0-1极化PLZT陶瓷光致多物理场耦合数学模型。对0-1极化PLZT陶瓷光致多物理场耦合特性进行理论分析,并对形成多物理场耦合的各种效应机理进行了深入分析,理清了光致多物理场之间的耦合关系;在此基础上,构建了光照阶段和光停阶段0-1极化PLZT陶瓷的光致多物理场耦合数学模型,并基于该模型在理论上对光致形变和光生电压之间的迟滞现象和光生电压变化趋势进行了合理解释;通过光致特性静态实验证明了所建立的数学模型能够准确描述光-热-电-力多物理场耦合下光致形变及光生电压的变化规律。基于0-1极化PLZT陶瓷的光致响应分析,开展了 0-1极化PLZT陶瓷的驱动性能改进研究。针对0-1极化PLZT陶瓷光致形变响应速度缓慢以及光停后存在显著的残余电压/应变等问题,提出了隔离光致温升、光停后电极接地以及光停后反向驱动等三种改进措施,并对其改进效果进行了实验验证;在此基础上,提出了两种新型的光控复合驱动方式,并推导了不同复合驱动下光控驱动器的激励力;针对所提出的PLZT双晶片驱动的悬臂梁式执行器构型,推导了光照下该执行器输出力与输出位移的表达式,参数评价了中间弹性梁厚度与杨氏模量对该执行器输出性能的影响,并对其输出力和输出位移进行了理论计算和有限元仿真分析。在对光控微镜各组成机构方案选择及论述的基础上,确定了x-y-θx-θy四自由度光控PLZT陶瓷驱动微镜装置的整体设计方案。对光控微镜平移机构的刚度、实际放大倍数、输出位移和固有频率等关键参数进行了分析和计算,在此基础上确定了平移机构的尺寸参数,并进行了有限元仿真分析;推导了光电-静电复合驱动旋转机构的旋转角度,并分析了旋转角度与光照时间、光照强度之间的关系。为验证新型光控复合驱动的可行性及光控微镜伺服系统控制策略的有效性,以单片0-1极化PLZT陶瓷及PLZT双晶片的光生电压和光致形变为控制对象,开展了控制策略的原理性实验研究。构建了 0-1极化PLZT陶瓷光致形变的ON-OFF控制理论模型并通过静态实验进行了相应的参数识别,在此基础上,对0-1极化PLZT陶瓷光致形变进行了 ON-OFF闭环控制仿真;搭建实验平台,进行了单片0-1极化PLZT陶瓷光致形变和光生电压的ON-OFF闭环控制实验以及PLZT双晶片光生电压的双光源ON-OFF交替控制实验。实验结果表明,单片0-1极化PLZT陶瓷的光致形变和光生电压可以通过ON-OFF闭环控制策略实现较高精度的动态控制,PLZT双晶片的光生电压在双光源控制下可以实现快速控制,从而验证了本文所提出的控制策略的有效性,证实了新型光控复合驱动方式的可行性。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

比较有代表性的模型有贝里尼切尔－斯图尔曼模型格拉斯模型及光致??激化涨落模型ｔｓｉ’５２３等。除此之外，Ｂｒｏｄｙ等人在１９８３年用ｉ？Ｃ充电电路模型来描述光致??伸缩作动器极化方向上光电场强度的变化规律，得到了表征光致伸缩作动器响应速度的??时间常数，并指出时间常数由光致作动器的光电阻和光电容决定ｔｓｓｊ；?Ｐｏｏｓａｎａａｓ等人在??２０００年提出光学的二次非线性是导致反常光生电场的原因，尝试利用电压源模型对反常??

波长对ＰＬＺＴ陶瓷光致电流的影响，指出入射光波长在％５ｎｍ附近时光致电流达到最大??口４］；?Ｎａｋａｄａ等人研究了光照强度对光致电压、光致电流Ｗ及光电阻的影响规律，并进??一步探讨了?ＰＬＺＴ陶瓷长宽比、光照强度与光电阻的关系，如图１－１所示心５６３；?Ｃｈｕ等??人研究了入射光的偏振方向与ＰＬＺＴ陶瓷的夹角对光致电压及光致电流的影响规律，如??图１－２所示ＰＵ，同时探究了惨杂浓度对光致电压和光致电流的影响，如图１－３所示??Ｉｃｈｉｋｉ等人研究了?ＰＬＺＴ陶瓷的晶体取向度对反常光生伏特效应的影响规律，指出（００１）??取向的ＰＬＺＴ薄膜表现出的光伏电能比随机取向的薄膜高约２０倍??ＰＬＺＴ－Ｗ０３?（０．４％）?ＰＬＺＴ－ＷＯ？?（Ｏ．５０／０）??國藝◎??０?５０?１?阳?ＩＳＯ?０?５０?Ｉ?加?１巧??偏转角（巧?偏转角（巧??？?（ａ）?（ｂ）??ｔ?ＰＬ之Ｔ－Ｗｂｓ?（０．６〇／〇）?ＰＬＺＴ－ＷＱ＾ｄ％）??許戸７１！朽７謹??０?典?１００?１泌?０?巧?１００?１扣??偏转角（巧?偏转角（巧??（Ｃ）?州??图１－２入射光的偏振方向与ＰＬＺＴ陶瓷的夹角对光致电压及光致电流的影响关系Ｗ??２０?Ｉ???■??０．０?Ｑ．２?０．４?０．６?０．１?，＇〇??ＷＯ３接杂浓度（ａｔｍ％）??图１－３慘杂浓度对光致电压和光致电流的影响关系Ｐｑ??Ｐｏｏｓａｎａａｓ等人研究了?ＰＬＺＴ陶瓷的厚度与光照表面的粗糖度对光致电压和光致电??流的影响规律

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【参考文献】

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本文编号：2840307