0-1極化PLZT陶瓷光致特性及光控微鏡驅(qū)動基礎(chǔ)研究.pdf

1、微鏡是微光機(jī)電系統(tǒng)中一種重要的光學(xué)器件，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)、微機(jī)械光開關(guān)、精密測量、醫(yī)療成像、生物技術(shù)和航空航天等國防和民用領(lǐng)域。針對目前微鏡驅(qū)動方式需電磁激發(fā)裝置，易引入電磁干擾，無法在獨(dú)立環(huán)境中工作等問題，開展了鑭改性鋯鈦酸鉛(PLZT)陶瓷驅(qū)動的光控微鏡以及光激勵控制策略的基礎(chǔ)研究。與傳統(tǒng)微鏡驅(qū)動方式相比，PLZT陶瓷驅(qū)動的光控微鏡無需導(dǎo)線連接外電源，具有驅(qū)動清潔、無電磁干擾、無線能量驅(qū)動以及非接觸激勵控制等優(yōu)點(diǎn)，適于潔凈操作空

2、間及真空環(huán)境等獨(dú)立工作環(huán)境下的遠(yuǎn)程非接觸操作，具有重要的理論研究價值及工程應(yīng)用研究意義。本文采用理論研究、計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，針對0-1極化PLZT陶瓷的光致特性及其影響因素、0-1極化PLZT陶瓷光致多物理場耦合數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、光致作動器的驅(qū)動性能改進(jìn)措施及新型光控復(fù)合驅(qū)動研究、光控PLZT陶瓷驅(qū)動微鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制策略原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等問題進(jìn)行研究，為光控驅(qū)動智能材料與結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　通過0

3、-1極化PLZT陶瓷光致特性靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，研究了光照階段光生電壓與光致形變的變化規(guī)律、光致形變與光生電壓之間的遲滯現(xiàn)象、光停后電極間出現(xiàn)的反向電壓現(xiàn)象以及殘余電壓/應(yīng)變的變化規(guī)律;然后對相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了導(dǎo)致光致形變與光生電壓之間存在遲滯現(xiàn)象和光生電壓變化趨勢的產(chǎn)生機(jī)理及主要影響因素，并指出該影響因素在構(gòu)建0-1極化PLZT陶瓷數(shù)學(xué)模型時不可被忽略。
　　采用理論研究和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，建立了0-1極化P

4、LZT陶瓷光致多物理場耦合數(shù)學(xué)模型。對0-1極化PLZT陶瓷光致多物理場耦合特性進(jìn)行理論分析，并對形成多物理場耦合的各種效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入分析，理清了光致多物理場之間的耦合關(guān)系;在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了光照階段和光停階段0-1極化PLZT陶瓷的光致多物理場耦合數(shù)學(xué)模型，并基于該模型在理論上對光致形變和光生電壓之間的遲滯現(xiàn)象和光生電壓變化趨勢進(jìn)行了合理解釋;通過光致特性靜態(tài)實(shí)驗(yàn)證明了所建立的數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確描述光-熱-電-力多物理場耦合下光致形

5、變及光生電壓的變化規(guī)律。
　　基于0-1極化PLZT陶瓷的光致響應(yīng)分析，開展了0-1極化PLZT陶瓷的驅(qū)動性能改進(jìn)研究。針對0-1極化PLZT陶瓷光致形變響應(yīng)速度緩慢以及光停后存在顯著的殘余電壓/應(yīng)變等問題，提出了隔離光致溫升、光停后電極接地以及光停后反向驅(qū)動等三種改進(jìn)措施，并對其改進(jìn)效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;在此基礎(chǔ)上，提出了兩種新型的光控復(fù)合驅(qū)動方式，并推導(dǎo)了不同復(fù)合驅(qū)動下光控驅(qū)動器的激勵力;針對所提出的PLZT雙晶片驅(qū)動的懸臂梁式

6、執(zhí)行器構(gòu)型，推導(dǎo)了光照下該執(zhí)行器輸出力與輸出位移的表達(dá)式，參數(shù)評價了中間彈性梁厚度與楊氏模量對該執(zhí)行器輸出性能的影響，并對其輸出力和輸出位移進(jìn)行了理論計(jì)算和有限元仿真分析。
　　在對光控微鏡各組成機(jī)構(gòu)方案選擇及論述的基礎(chǔ)上，確定了x-y-θx-θy四自由度光控PLZT陶瓷驅(qū)動微鏡裝置的整體設(shè)計(jì)方案。對光控微鏡平移機(jī)構(gòu)的剛度、實(shí)際放大倍數(shù)、輸出位移和固有頻率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析和計(jì)算，在此基礎(chǔ)上確定了平移機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)，并進(jìn)行了有限

7、元仿真分析;推導(dǎo)了光電-靜電復(fù)合驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，并分析了旋轉(zhuǎn)角度與光照時間、光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。
　　為驗(yàn)證新型光控復(fù)合驅(qū)動的可行性及光控微鏡伺服系統(tǒng)控制策略的有效性，以單片0-1極化PLZT陶瓷及PLZT雙晶片的光生電壓和光致形變?yōu)榭刂茖ο螅_展了控制策略的原理性實(shí)驗(yàn)研究。構(gòu)建了0-1極化PLZT陶瓷光致形變的ON-OFF控制理論模型并通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)識別，在此基礎(chǔ)上，對0-1極化PLZT陶瓷光致形變進(jìn)行了O