压电陶瓷范文

导语：如何才能写好一篇压电陶瓷，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词 压电复合材料，铁电性能，介电性能，压电性能

1 前 言

聚合物基压电复合材料是由压电陶瓷和聚合物复合而成的一种新型功能材料[1～4]，具有较强的压电性和良好的韧性，由此引起了人们的极大兴趣[5]。通常两相复合的压电复合材料有10种连通方式，其中0-3型是最为常用的方式[6～9]。0-3 连通型压电复合材料是在三维自身联结的聚合物基体中填充压电陶瓷粉体而制成的压电复合材料。由于其声阻抗与水和人体组织非常接近，所以常用于水声探测和医疗行业，同时它也是智能机器人中传感器的理想材料，而且这种压电复合材料的制备尺寸不受陶瓷的制约[10]。由于0-3型压电复合材料兼具多种优点，所以得到了广泛的关注和研究[11]。本文采用固相烧结法合成了PZN-PZT压电陶瓷，并与PVDF混合，制备出陶瓷含量分别为60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%的压电复合材料，研究了陶瓷含量对复合材料铁电性、介电性和压电性的影响。

2 实验过程

2.1 陶瓷粉体的制备

按照配方Pb(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr0.52Ti0.48)0.7O3精确称取Pb3O4、ZnO、ZrO2、Nb2O5、TiO2，在ND6-2L球磨机中以水为溶剂，湿法球磨8h。将球磨好的料浆干燥后放入马弗炉中，在850℃下预烧2h。然后把预烧好的粉料在压片机上压制成?准20×（1～2mm）的薄片，将其放入高温炉中在1250℃下烧结，保温4h，最后将烧结好的陶瓷片粉碎，过200目筛后得到压电陶瓷粉体。

2.2 压电复合材料的制备

配制陶瓷质量分数分别为60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%的七组粉料，混合均匀后，压制成?准20×（1～2mm）的薄片，在平板硫化机上于180℃温度下热处理10min，抛光后得到PZN-PZT/PVDF复合材料。将样品进行镀电极处理，干燥后放入已加热的硅油中进行极化。在极化电压为50kV・cm-1、温度为110℃下极化20min，取出样品，静置一天后进行性能测试。

2.3 性能测试

用D/Max-3B粉晶衍射仪分析PZN-PZT陶瓷粉体的晶相，用扫描电子显微镜观察PZN-PZT/PVDF压电复合材料的微观形貌，用ZT-I铁电材料参数测试仪测量复合材料的电滞回线，利用TH2819精密LCR数字电桥测量复合材料的介电常数ε和介电损耗tanδ，采用ZJ-3A 型准静态d33测量仪测量复合材料的压电常数d33。

3 结果分析与讨论

3.1 压电陶瓷粉体的XRD分析

图1为陶瓷粉体的XRD图谱。从图中可以看出，PZN-PZT烧结粉体已形成钙钛矿主晶相,衍射峰强度大且尖锐,仅在2θ为36.8°附近存在一个很弱的异相[12],表明经过1250℃高温烧结4h后得到了以四方钙钛矿结构为主晶相的纯度较高的PZN-PZT陶瓷粉体。少量异相的出现主要是由于各种氧化物原材料的化学活性不同，对它们进行直接混合，一次合成极易引起异相的生成[13]。由此可见，其合成工艺有待进一步改进，尽量消除异相，提高陶瓷钙钛矿主晶相结构的纯度。

3.2 复合材料SEM分析

图2为陶瓷质量分数为60%和90%的复合材料扫描电镜照片。比较图2(a)和图2(b)可以看出，图2(b)中的陶瓷含量明显多于图2(a)，且图2(b)中部分陶瓷颗粒已经连成一片，而图2(a)中陶瓷颗粒仍然零零散散地分布在有机基体PVDF中。这就使得陶瓷含量为90%的复合材料的极化性能要比含量为60%的复合材料好[14]。

3.3 铁电性能分析

图3为PZN-PZT/PVDF压电复合材料的电滞回线。从图中我们可以看出，陶瓷含量对复合材料的剩余极化强度Pr和矫顽场Ec的影响都较大。随着陶瓷含量的增加，复合材料的剩余极化强度明显增加，当陶瓷含量为90%时其剩余极化强度可达5.27μC・cm-2。这是因为随着陶瓷含量的增加，复合材料的电阻随之减小，加载在陶瓷上的电压增大的缘故。由于铁电陶瓷的铁电性远高于压电聚合物的铁电性[15]，所以PZN-PZT/PVDF压电复合材料的矫顽场随着陶瓷含量的增加呈下降趋势，其铁电性越好，样品越容易极化。当陶瓷含量为90%时，压电复合材料的矫顽场Ec减小到76kV・cm-1。

3.4 介电性能分析

图4、图5为室温、1kHz条件下复合材料的介电常数和介电损耗与陶瓷质量分数的关系图。从图中可以看出，随着陶瓷含量的增加，复合材料的介电常数与介电损耗均呈非线性增加趋势。当陶瓷含量为90%时，其介电常数εr为188，介电损耗 tanδ为0.065。依据Maxwell-Garnett方程[7]可知，介电常数的变化主要是因为压电陶瓷PZN-PZT的介电常数远高于聚合物PVDF的介电常数，故复合材料的介电常数主要取决于压电陶瓷的含量。所以，随着压电陶瓷质量分数的增加，复合材料的介电常数呈增大趋势。复合材料的介电损耗随着陶瓷含量的增加也呈增大趋势，但它的变化幅度小于介电常数的变化幅度。

3.5 压电性能分析

图6为PZN-PZT复合材料的压电常数d33与陶瓷质量分数的关系曲线。从图中可以看出，随着陶瓷含量的增加，PZN-PZT/PVDF复合材料的dd33呈增大趋势。当陶瓷含量由75%增加到85%时，复合材料的压电常数增加较快。当陶瓷含量为90%时，其压电常数dd33可以达到33.4pC/N。这是因为压电复合材料的压电性能主要取决于压电陶瓷的含量和性能，所以随着陶瓷含量的增加，复合材料的压电性能也随之提高。从扫描电镜照片也可以看出，随着陶瓷含量的增加，复合材料中部分陶瓷颗粒连成一体，从而进一步提高了复合材料的压电性；同时，由复合材料的电滞回线可看出，随着陶瓷含量的增加，复合材料的极化性能明显提高，这就使得陶瓷含量较高的复合材料在相同的极化条件下极化得更充分，压电性更好[16]。

4 结 论

（1） 用固相烧结法合成了钙钛矿结构为主晶相的纯度较高的PZN-PZT陶瓷粉体；

（2） 随着陶瓷含量的增加，剩余极化强度Pr增加，矫顽场Ec下降，当陶瓷含量为90%时，其剩余极化强度Pr增加到5.27μC・cm-2，矫顽场Ec则下降到76kV・cm-1；

（3） 随着陶瓷含量的增加，复合材料的介电常数、介电损耗、压电常数增加。当陶瓷含量为90%时其介电常数εr为188，介电损耗tanδ为0.065，压电常数d33为33.4pC/N。

参考文献

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13 黄 泳,黄亚锋.PMN-PZN-PFW-PZT多元系统压电陶瓷低温烧结[J].中国陶瓷,2000,36(2):30～32

14 刘晓芳，熊传溪，李月明等.PZT/PVDF体系压电复合材料的介电和压电性能研究[J].陶瓷学报，2004，25 （3）：153～156

15 刘晓芳，熊传溪，董丽杰等. PVC和PVDF对压电复合材料电性能的影响[J].稀有金属,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

关键词： 压电陶瓷； 电容传感器； 扩展卡尔曼滤波（EKF）； 容错控制

中图分类号： TN820.3?34 ；TP273+.5 文献标识码： A 文章编号： 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

压电陶瓷定位系统通常是由压电陶瓷执行器作为驱动器及电容传感器作为位移传感器而构成的闭环定位系统[1]。由于压电陶瓷定位系统具有高精度和高速度的特性，被广泛地应用于光刻物镜调节机构和干涉仪移相器等领域[2?3]。当这种闭环控制的反馈信号惟一依赖于电容传感器测量值时，如果电容传感器产生在线故障，未经过处理的故障信号会增大系统稳态误差，严重时会造成系统不稳定[4?5]。

卡尔曼滤波是一种使用递归方法解决线性滤波问题的最优估计算法，可有效过滤掉随机干扰，准确地恢复出原始信号[6]，在组合导航系统中，基于自适应卡尔曼滤波器的信息融合方法，可以有效增加系统的定位精度及鲁棒性[7]；在多机器人协同控制中，扩展卡尔曼滤波（EKF）可以有效解决定位控制中非线性模型的预测问题[8]；由于不需要对非线性系统的状态方程和观测方程进行线性化，并且不需要计算状态转移矩阵的雅可比矩阵，无迹卡尔曼滤波（UKF）在飞行器轨迹跟踪领域也有广泛应用[9]；近年来，EKF在控制系统传感器故障容错控制领域得到广泛应用，EKF是针对经典卡尔曼滤波方法的非线性化推广，在永磁同步电机控制系统中，EKF可以根据电机的先验状态参数准确估计当前转子位置，实现无传感器电机控制[10]或者故障诊断[5]；在发动机故障诊断和容错控制中EKF的应用也取得了一定的进展[11]。

本文首先对压电陶瓷定位系统电容传感器典型故障进行分析；其次，针对三阶轨迹规划算法，将位移轨迹作为被估计的过程，通过对被估计过程EKF滤波公式的分析，提出一种基于离散迭代的EKF算法以替代传统非线性系统近似线性化的方法；最后，通过实验对基于EKF的容错控制方法的效果进行了验证，结果表明该方法行之有效。

1 问题描述

光刻物镜可调机构的压电陶瓷定位系统如图1所示，控制算法通过PC机端的Matlab/Simulink设计完成之后，通过RTW下载至目标机的xPC Target实时内核，目标机内置有NI公司的PCI?6229数据采集卡，xPC Target通过PCI?6229的D/A通道向驱动控制箱发送控制指令，驱动控制箱根据指令驱动压电陶瓷执行器，并将读回的电容传感器测量数值传送至PCI?6229的A/D通道，反馈给xPC Target。

如图1所示，xPC Target目标机与驱动控制箱之间采用模拟信号连接，电容传感器与驱动控制箱之间也采用模拟信号连接，相比于其他链路，这些模拟通道出现故障的概率更大。图2是模拟通道典型故障的反馈值，在0.6～0.8 s之间电容传感器第8个数据位出现故障、在1 s之后电容传感器出现掉电故障。可见，故障时位移测量值与实际值出现较大偏差。因此，在将这些包括不准确值的测量值反馈至控制器之前，对其进行必要的容错处理显得尤为重要。

图1 压电陶瓷定位系统

2 扩展卡尔曼滤波

将压电陶瓷定位系统的位移轨迹作为被估计的过程[X]，那么这个过程的状态变量[xk]即表示[k]时刻的位移值，对于文献[1]中应用于压电陶瓷定位系统的三阶轨迹规划算法，这个过程[X]的状态变量[xk]可以由以下离散差分方程描述：

[xk=xk-1+vk-1ts+ak-1t2s2+Jmt3s6] （1）

式中：[ts]为采样周期；[Jm]为最大冲击值常量；[ak-1，][vk-1，][xk-1]分别为[k-1]时刻加速度值、速度值、位移值。显然[ak，][vk，][xk]均为时变参数，可见被估计过程的[X]是一个离散的非线性过程。

图2 电容传感器故障时位移测量值

针对离散非线性过程，卡尔曼滤波变形为如下离散的扩展卡尔曼滤波公式[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）

在传统的扩展卡尔曼滤波中，公式（2）中的[f（?）]是由非线性函数经过泰勒级数展开，截去高阶项后得到的近似线性化函数。这种线性化的近似计算存在两个方面的缺陷：一方面，需要通过大量的在线仿真或实验才能获得精度和速度相对较好的滤波系数[5]；另一方面，随着递归算法的向前推移，泰勒级数高阶项权重可能不断增加，导致最终估计量误差较大[6]。

为解决以上问题，将公式（1）改写为公式（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）递推求得[1]，公式（8）中各参数意义与公式（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）可见，在将压电陶瓷定位系统的位移轨迹视作被估计过程[X]时，其扩展卡尔曼滤波公式（2）中的线性化函数[f（?）]同样可以由三阶轨迹规划的递推过程求得，避免了传统的将非线性系统线性化的复杂计算过程。

离散扩展卡尔曼滤波式（2）～式（6）中其余参数的含义说明如表1所示。

至此，在三阶轨迹规划算法下，压电陶瓷定位系统位移量的扩展卡尔曼滤波器可由图3表示，其中，状态预测对应公式（2），协方差预测对应公式（3），状态校正对应公式（4），协方差校正对应公式（5），增益更新对应公式（6）。

表1 离散扩展卡尔曼滤波器参数表

[参数＼&参数含义＼&[xk/k-1]＼&[k]时刻基于[k-1]时刻的预测估计＼&[xk-1]＼&[k-1]时刻的最优估计＼&[Ts]＼&采样周期＼&[Pkk-1]＼&[xk/k-1]的协方差＼&[Φkk-1]＼&转移矩阵＼&[Pk-1]＼&[xk-1]的协方差＼&[Qk-1]＼&过程噪声的协方差＼&[xk]＼&[k]时刻的最优估计＼&[Kk]＼&卡尔曼滤波增益＼&[yk]＼&观测变量＼&[Hk]＼&为观测增益＼&[Pk]＼&[xk]的协方差＼&[R]＼&观测噪声的协方差＼&]

图3 扩展卡尔曼滤波器

3 实验与分析

为了对如图1所示的压电陶瓷定位系统中位移的测量值和EKF估计值做出准确评价，实验过程中使用Renishaw公司的XL?80型激光测长干涉仪作为测量基准，搭建了如图4所示的实验平台。其中，执行器为Physik Instrumente公司的N?111型压电陶瓷驱动器，传感器为D?E30型电容传感器。

实验采用的控制方案如图5所示，其中，扩展卡尔曼滤波器将电容传感器信号滤波之后反馈至PID控制器，PID控制器根据此反馈信号和三阶轨迹规划的输出信号，对压电陶瓷执行器的控制量做出计算。

实验中EKF滤波公式各参数赋值如下：采样周期[Ts]与系统相同，为0.001 s；过程噪声与N?111型压电陶瓷执行器的定位精度相关，根据对N?111大量实验数据的统计分析结果，过程噪声方差[Qk-1]取值[5×10-4]；观测变量[yk]为电容传感器在线测量值，观测噪声与电容传感器精度相关，经过对D?E30型电容传感器大量实验数据的统计分析结果，观测噪声方差[R]取值为[2.5×10-4]；观测增益[Hk]取值为1，转移矩阵[Φkk-1]由算式[Φkk-1=I+f（tk-1）Ts]在线求得；EKF的初始条件为[x0=0，][P0=1]。

图4 压电陶瓷定位系统实验平台

图5 电容传感器容错控制方案

实验过程中，当电容传感器在0.6～0.8 s之间第8个数据位出现故障、在1 s之后出现掉电故障，干涉仪测量值与EKF的估计值结果如图6所示，EKF估计值误差的绝对值如图7所示。

图6 干涉仪测量值与EKF估计值

图7 EKF估计值误差绝对值

由图6和图7的实验结果可知，当电容传感器出现故障时，虽然EKF估计值的绝对误差和方差均有所增加，但绝对误差仍被控制在3.5 μm之内，相比于图2中未加EKF时的结果，滤波效果显著。对于压电陶瓷定位系统而言，EKF可以有效实现对电容传感器的容错控制。

4 结 语

本文将压电陶瓷定位系统位移轨迹作为被估计的过程，对其扩展卡尔曼滤波分析后，提出基于三阶轨迹规划离散迭代算法的扩展卡尔曼滤波方法，这种方法可以有效避免非线性系统近似线性化的截断误差，避免大量的寻优实验。实验结果表明所提出的EKF算法能够准确地估计出压电陶瓷定位系统的位移轨迹，实现了电容传感器容错控制，提高了控制系统的鲁棒性。

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篇3

关键词：压电陶瓷；压电聚合物；介电性能；压电性能

1 引言

压电效应的机理为具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化。而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。压电材料的这些特性能够适应于环境的变化，实现机械能和电能之间的相互转化。压电陶瓷材料（如：BaTiO3、PZT和PbTiO3等）具有很高介电性、较强的压电性和大的机电耦合系数等优点，但其成形温度较高、制备工艺较复杂、不易制得很薄的薄膜材料，并且由于它固有的脆性，使压电陶瓷材料的应用受到很大的限制。压电聚合物材料（如：PVDF等）具有较高的介电性、较强的压电性，并具有很高的机械强度和很好的柔韧性等优点，但其使用温度较低，使其在应用上同样受到很大限制。将压电陶瓷与压电聚合物复合成压电复合材料，克服了压电陶瓷材料自身的脆性和压电聚合物材料的温度限制，是智能材料系统与结构中最有前途的压电材料[1～3]。通常两相复合的压电复合材料有10种连通方式[4]，其中0-3 型压电复合材料是指压电陶瓷粉末分散于三维连续的聚合物基体中形成的复合材料。由于0-3型压电复合材料缺乏所需的应力集中因素，其中的压电陶瓷相极化比较困难，使复合材料的压电系数相对较小。但由于该类材料与其它类型压电复合材料一样能提高优值，减弱脆性、降低密度，并且无需高温烧结，成形加工缺陷少、能耗低。当选择恰当条件时，能实现无机/高聚物两相间的良好界面结合与过渡，具有可柔性加工性、易于制造的特点。其优异的可柔性加工性能得到了人们的青睐。国内对其制备方法进行了许多的研究。具有代表性的有热轧机压法、流延法和干压法[5～6]。这些方法普遍存在着陶瓷含量低、气孔率大等不足，导致压电复合材料性能难以提高。本文使用先进的复合材料模塑工艺，采用热压成形法，制备了一系列压电复合材料，结果表明，所得材料具有较高的压电常数和良好的柔性加工性能，并分析了无机压电陶瓷种类、含量对复合材料介电性能和压电性能的影响。

2 实验内容

2.1 实验材料

本文所采用的实验原料有锆钛酸铅（ PZT）和钛酸铅（PT）压电陶瓷粉体。

2.2 试样制备

本文中的PVDF/PZT和PVDF/PT压电复合材料采用热压成形法制备，成形温度为200℃、压力为15 MPa。样品的直径均为10mm、厚度为0.12 mm。

2.3 性能测试

样品经表面处理后，在其表面涂覆导电银浆，烘干；然后，在硅油介质下，采用不同的极化条件，对试样进行极化；最后，对相关压电、介电性能等进行测试。

本文采用H.P.4192型介电频谱测试仪，在室温下测定试样的ε和 tanδ值。采用Z-3A型准静态d33测试仪，测定压电复合材料的d33值。

3 结果分析与讨论

3.1 压电陶瓷含量对复合体系介电性能的影响

本文是在室温及1MHz的条件下进行检测的。图1是复合材料的介电常数ε与陶瓷粉体的体积分数关系曲线。

从图1中可以看出，无论对PVDF/PZT还是PVDF/PT体系，随着陶瓷粉体体积分数的增加，ε值呈非线性增大，说明这类压电复合材料的介电性能与陶瓷性能密切相关。研究发现，只有当陶瓷粉体体积分数超过某一数值时，复合材料才具有较大的ε值。当陶瓷体积分数低于50%时，复合体系的介电常数呈现很小的值。但当体积分数超过50%时，在实验过程中，复合材料的介电常数迅速增大。在陶瓷粉体高含量区域间，由于树脂的粘结力下降，两相材料界面结合状态劣化，导致气孔率增大，致使材料性能参数有所下降，这也是材料耐压性能下降的原因之一。另外，考虑到如果陶瓷粉体体积分数过大，将使复合材料难以成形，且材料发脆、机械性能差。因此，当陶瓷粉体的体积分数为60%～70%时，材料的性能较理想。

当电介质突然受到静电场作用时，往往要经过一段时间（称为弛豫时间），极化强度才能达到最终值，这种现象称为极化弛豫。通常说，极化弛豫是由于取向极化所造成的。如果介质受交变电场作用，当交变电场的改变比较迅速时，极化将滞后，从而导致介质损耗。

在压电复合材料中，不同含量的压电陶瓷将影响复合体系的介电损耗。图2是陶瓷体积分数与介电损耗tanδ的关系曲线。

由图2可知，随着陶瓷粉体体积分数的增加，复合材料的介电损耗tanδ呈非线性减小。

3.2 陶瓷种类对复合材料介电性能的影响

从图1和图2可以看出，不同种类的陶瓷对复合体系介电性能有一定的影响。当陶瓷粉体的体积含量低时，两种复合体系的介电常数和介电损耗无很大差别，且都较小。其原因为复合体系的介电性能主要来自聚合物。因此，两复合体系在陶瓷粉体体积含量少时差别不大。随着陶瓷粉体体积分数的增大，PVDF/PZT体系的介电常数明显提高，PVDF/PT体系的介电常数略微提高，但峰值不如PVDF/PZT体系的高。介电损耗两者相当，无太大差别。随着压电陶瓷粉体体积分数的增加，作为功能相的压电陶瓷对复合体系的贡献越大，而PZT的介电常数远大于PT，故随着压电陶瓷粉体体积分数增加，PVDF/PZT体系的介电性能要好于PVDF/PT体系。

3.3 压电陶瓷粉体体积分数对复合材料压电性能的影响

图3是PVDF/PZT、PVDF/PT两种复合材料的压电常数d33与陶瓷体积含量的关系。

由图3可知，随着陶瓷粉体体积分数的增加，复合材料的d33值亦呈非线性增大，在体积含量超过50%时，d33值迅速增大。这是因为0-3型压电复合材料的压电性主要产生于压电陶瓷粉末。在极化过程中，陶瓷颗粒在电场作用下，通过电畴取向产生剩余极化，整个复合材料的剩余极化强度是所有陶瓷颗粒的剩余极化强度叠加的结果。显然，陶瓷颗粒浓度的增加必然引起复合材料剩余极化强度的增加，从而导致压电性的增加。但是，由于陶瓷加工性能差，随着陶瓷粉体体积分数的增加，复合材料的加工性能随之也变差。因此，一般压电复合材料中的压电陶瓷粉体体积分数应选择在60%～70%。

3.4 陶瓷种类对复合材料压电性能的影响

从图3中可以看出，不同种类的陶瓷对复合体系压电性能有一定的影响。在低体积分数为30%时，两种复合体系的压电常数d33无很大差别，且都较小。其原因是0-3型压电复合材料的压电性主要产生于压电陶瓷粉末，当压电陶瓷粉体体积分数低时，复合体系的压电性能较差。随着陶瓷粉体体积分数的增大，由图3可以看出，PVDF/PZT体系的压电常数明显提高，PVDF/PT体系的压电常数也有提高，但d33值均不如PVDF/PZT体系的高。随着压电陶瓷粉体体积分数增加，作为功能相的压电陶瓷对复合体系的贡献就越大，而PZT的压电常数比PT大。因此，随着压电陶瓷粉体体积分数增加，PVDF/PZT体系的压电性能比PVDF/PZT体系的要好。

4 结论

（1） 对于同种材料，随着压电陶瓷粉体体积分数的增加，压电复合材料的压电常数、介电常数都有所增加。当陶瓷体积分数为70%时，复合材料具有较好的介电性能、压电性能，且是综合性能最佳的复合材料。

（2） 随着压电陶瓷粉体体积分数增加，PVDF/PZT体系的压电性能比PVDF/PZT体系的要好。

参考文献

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[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.

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1、陶瓷牙套作为一种高科技修复牙齿的技术，其看起来更为逼真更为美丽一些，而且，在耐磨性和牢固性方面也有属于自己的优势，这种牙套的光彩看起来就像是自然牙一样，生物的相容性也比较好，不会有刺激口腔组织的问题出现，而且，陶瓷牙套的清洁问题也比较简单。

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（来源：文章屋网 ）

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关键词：电压互感器 二次回路 电压切换继电器 断线监测

引 言：

现在电力系统中运行的各电压等级的电压互感器数量众多，型号各异，新PT安装投运时，常因PT接线错误导致出现PT高压保险熔断、低压空开或保险断开甚至烧毁PT等问题；同时由于全站二次电压回路接线比较复杂，不易为现场人员掌握，还经常出现PT投运一段时间后，当一次系统发生接地或短路故障时，PT二次不能正确反映一次系统电压，造成保护及安全自动装置误动或拒动，严重威胁系统的安全稳定运行。

1、二次电压回路接线错误的原因分析

出现上述问题最常见的原因就是二次电压回路接线错误，主要表现在以下几个方面：（1）二次电压回路相对地短接，一旦投运即熔断保险或烧毁PT。

（2）PT开口三角电压回路对相电压回路短接，一旦投运将对PT一次反冲电，造成低压空开跳闸或低压保险熔断。

（3）PT开口三角电压回路对地短接，正常运行时由于开口 三角电压接近于零没有问题，一旦出现系统单相接地即熔断高压保险或烧毁PT。

（4）lO～35 kV防谐振4PT中，第四只PT 一次、二次绕组反极性接线如图1，正常运行时由于第四只PT电压接近于零没有问题，～一旦出现系统单相接地，PT二次回路对地电压将不再反应系统一次电压，会误导运行人员进行错误操作。

（5）PT运行过程中，PT接线盒至PT端子箱的这一段地埋电缆由于长期受潮锈蚀而断线或短路，导致PT断线或烧毁PT；当线路抽压PT发生断线时，还有可能导致线路开关非同期重合或拒合等严重事故。出现上述问题的原因从表面看都在于对PT原理不熟悉，或回路接线错误所致，其实最根本的原因在于缺乏有效的检测手段。目前各地在设备安装调试工作过程中，高压试验都是仅对单只PT自身进行，由于升压设备容量限制，不能将全站二次设备电压回路都带上后再在PT一次加压传动。对二次电压回路的检验仅仅依靠接线过程中工作人员核对二次线的办法，检查图2中各连接电缆二次接线的正确性，而PT端子箱（高压柜端子排）内和电压切换及并列装置内的二次电压回路则不做检查，仅依靠厂家保证其接线正确性。

由以上分析可知，对二次电压回路的检查全部都是依靠对线的办法，而不能像试验电流回路一样对PT二次回路进行全面的一次加压检查试验，造成在这一环节上无法实现质量监控的闭环管理，导致存在的问题不能及时发现纠正。

2、解决问题的方法

通过长期的摸索与实践，笔者对如何解决上述问题有了一个较为成熟有效的方法，具体步骤如下：

（1）对于普通的3PT接线

① 接线完毕后断开PT端子箱或高压柜内二次空开及保险，拆下开口三角电压回路至控制室内联线。用1.5 V钾电池在PT一次侧逐相对地做点、拉试验，在PT二次侧（PT端子箱或高压柜内二次空开或保险以前的端子排上）用指针表u A档观测其指针摆动情况，具体接线见图3。若接线正确，则在点击PT一次侧时，指针应向右快速摆动，从PT一次侧拉开时，指针应向左快速摆动；若接线时极性接反，则摆动情况正好相反；若有相对地短路或两侧接线线芯不一致的情况，则指针不会摆动。（注：观测开口三角绕组时应与原理接线图上所标示的极性一致）。

② 拉开PT一次隔离刀闸或手车以断开PT切换重动继电器，在PT端子箱或高压柜内二次空开及保险下侧接线端子上逐相对地加压（也可三相同时加压），在端子箱或高压柜内二次空开及保险下侧接线端子及端子排上检测各相电压对地及相间电压正常，检测开口三角电压回路L应无电压。

③ 推上PT一次隔离刀闸或手车使PT切换重动继电器YQJ动作，在切换后各回路检测各相电压对地及相间电压正常，检测开口三角电压回路L应无电压。

④ 在PT端子箱或高压柜内，将开口三角电压回路L（拆下来的至控制室侧线芯）任意短接至一相电压上，检测开口三角电压回路L（切换前及切换后）均应正常。

⑤ 依次将各保护及安全自动装置电压回路投入，检测各元件上三相电压及开口三角电压回路均应正常。

⑥ 两段母线电压回路分别检查完毕后，同时在两段母线PT端子箱或高压柜对三相电压及开口三角电压回路加压，在PT二次电压回路并列继电器根部核相正确后，将PT二次电压回路并列应检测正常。

⑦ 若本站一次接线存在特殊运行方式，如用旁路带主变压器开关运行见图4，还需要检验其相应的电压切换回路。

⑧ PT二次各绕组所对应的电压回路均应有相应的二次电压断线监视回路。举例如下：各保护电压回路可以靠各保护元件PT断线回路监测；计量电压回路应加装专门的计量断线回路监测；线路抽压PT弓l出的电压应加装一个电压继电器监视其电压，以防I上保护在某些重合闸方式下不检测线路电压。在加压试验过程中应断开某一相电压检测相应监视回路是否能正确报警。

（2）对于10～35 kV防谐振4PT接线

其他检验步骤均与普通3PT接线相同，需要注意的是在步骤① 中，需要首先对中性点PT做高压试验，确定其每个绕组的变比，然后才能进行极性试验并按照图5正确接线。

3、总结

本文提出了对PT及二次电压回路进行检测的新方法，通过对PT进行极性试验和二次回路加压传动，可以对厂站全部二次电压回路做到真正意义上的全面检查，彻底杜绝了过去因缺乏有效检测手段可能造成的各类接线错误，消除了潜在的隐患，满足了系统安全稳定运行的要求在升二次电压试验中应特别注意以下几点：

①二次电压回路一般由保护（可能有些有两组）和计量组成，在升二次电压时应该一组一组的分别升，升某一组时检查所有用到该组的地方都应该有，其他组应该没有。

⑦在升二次电压时为了区分开相别来，应该每一相升不同的幅值，在检查每处电压时该幅值就应该一一对应，但最大相应该在额定范围内。

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关于压电陶瓷变压器的研究始于20世纪50年代。美国G．E．Motorola Zenith公司的Rosen在1956年阐述了压电陶瓷变压器的基本工作原理，并成功地制备出长条形单片压电陶瓷变压器。但由于这种单片变压器使用的是压电性能较差的BaTiO3陶瓷材料，加上工艺不完善，升压比很低，成本又很高，故当时没有引起人们的重视。后来，随着PZT系、三元系和四元系等压电陶瓷材料的陆续出现，在20世纪70年代末和80年代初，压电陶瓷变压器开始进入实用化。从20世纪90年代末期开始，压电陶瓷变压器得到了蓬勃发展和比较广泛的应用。

1 压电陶瓷变压器的基本结构及工作原理

压电蜂鸣器和压电点火棒是人们较熟悉的两种压电陶瓷产品。压电蜂鸣器是利用压电陶瓷的逆压电效应工作的，给其加上电信号，压电陶瓷将产生振动而发出声音；压电点火棒是利用压电陶瓷的正压电效应工作的，给其加上机械压力，在点火棒两端即有高压产生。这两种器件的能量转换形式是电能与机械能之间的单向转换，而压电陶瓷变压器则是在同一压电陶瓷上同时利用正和逆的压电效应来进行工作的，即经过电能机械能和机械能电能的两次能量变换。压电陶瓷变压器输入端和输出端的振动模式是不同的，因此压电陶瓷变压器实际上是一种特殊的压电陶瓷换能振子。

压电陶瓷变压器按其形状、电极和极化方向不同而有各种结构，其中最简单和最为常用的是Rosen型单层长条形结构，如图1所示。

由该图可知，压电陶瓷变压器由两部分组成，其中左半部分的上下两面都有烧渗的银电极，沿厚度(即从上到下)方向极化，作为输入端，这部分称为驱动部分；右半部分的端头烧渗了银电极，沿长度方向(即从左到右)极化，作为输出端，这部分称为发电部分。当交变电压Uin加到压电陶瓷变压器的输入端时，只要交变电压频率与压电陶瓷的谐振频率一致，就会通过逆压电效应使变压器产生沿长度方向上的伸缩振动，使输入的电能转化为机械能；而发电部分通过正压电效应使机械能转换为电能，产生电压输出。实际上，压电陶瓷的左半部分相当于蜂鸣器，右半部分则类似于点火棒。图1所示的压电变压器的长度大于厚度，如果输入端为低阻抗，输出端为高阻抗，则为升压型变压器。这种变压器在几伏或几十伏的输入电压下，可以产生数千伏的输出。在空载状态时，压电变压器的开路升压比N为

当材料一定时，Qm、k31和k33均为常数，压电变压器的变压比N仅由L和t之比决定。由于QmL/t可以很大，因此可以制作升压比足够大的压电陶瓷变压器。

利用与图1所示的Rosen变压器相似的结构，可以制备如图2所示的压电陶瓷降压变压器。这种降压变压器是将图1中所示的发电部分作为驱动部分，将驱动部分作为发电部分。通过这种变换，发电部分的输入阻抗大于驱动部分的输出阻抗，致使输出电压降低，电流增加。

压电陶瓷变压器除了利用横向振动模式的器件结构形式外，还可利用径向振动、厚度振动、弯曲振动等振动模式来设计和制造其他形式的压电变压器。利用厚度振动模式和径向振动模式，同样可以设计降压或自耦降压压电陶瓷变压器。

压电陶瓷材料是一种脆性材料。为保障压电陶瓷变压器的机械强度，陶瓷片不能做得太长或太薄，因此限制了升压比的提高。为了提高升压比，人们将多层片式电容器( MLCC)的成熟工艺移植到压电陶瓷变压器的制备中，于是在20世纪90年代末，多层独石型和片式压电陶瓷变压器陆续被推向市场。

图3所示为多层片式陶瓷结构示意。这种叠层结构中的相邻两层陶瓷在厚度方向上的极化方向是相反的，各内电极间采用叉指方式交替地连接。在多层压电陶瓷的总厚度与单片内电极 压电陶瓷的厚度相同的情况下，与单片压电陶瓷相比，N层压电陶瓷的等效压电系数(d33)则提高3N倍，电流量增加N2倍，电压将下降N倍（因陶瓷承受的电场相同）。将这种陶 瓷结构用于压电陶瓷变压器的驱动和发电部分，可以通过陶瓷层数来改变变压器的输入和输 出阻抗，从而改变变压比和电流比。

2 压电陶瓷变压器的特性

压电陶瓷变压器的电特性参数有输出功率（功率密度通常为15～20W/cm3）、输入／输 出电压、工作频率、负载阻抗、功率转换效率、器件尺寸和工作温度（通常低于60℃）等。

压电陶瓷变压器具有以下一般特性：

(1)压电陶瓷变压器输出电压的高低与频率直接相关，其输出电压只有在谐振频率附近（fr±lkHz内）才达到最大值；若偏离谐振频率，电压下降的幅度就很大。这是压电陶瓷变压器的重要特性，它与线绕变压器不同，不能在较宽的频率范围内工作。压电陶瓷变压器的、谐振频率会随温度的变化而变化，当环境温度发生变化或变压器工作时因自身机械和介质损耗而发热时，都将引起谐振频率的漂移。当用固定信号激励时，谐振频率的漂移会引起输入电压的变化，从而影响高压电源的稳定工作。因此，在应用中，相应的驱动电路必须具有频率自反馈跟踪能力，方能使变压器始终处于最佳工作状态。

(2)压电陶瓷变压器在输入电压一定时，输出电压随负载阻抗的减小而降低。这是由于压电陶瓷变压器的输入阻抗较大（约十几兆欧至数万兆欧）而引起的。因此，在使用压电陶瓷变压器升压的高压电源中，当负载变化后，变压器的输出电压变化较大，即它们的压电调整率差，这时必须在电路中采取补偿措施，以保证电源具有稳定的输出电压。

(3) 一般的线绕变压器的输入阻抗与负载阻抗是成正比的，而压电陶瓷变压器则相反，当减小其负载阻抗时，输入阻抗反而增大。这种输入阻抗与负载阻抗的特殊关系，在压电陶瓷变压器作为高压电源时极为重要。因为当负载短路时，压电陶瓷变压器会自动断电而不被烧毁，这是压电陶瓷变压器的一个优良特点。

(4)压电陶瓷变压器的安装固定与配置对正确使用很重要。压电陶瓷变压器有半波模和全波模两种安装状态，如图4所示。

在固定陶瓷片时，支撑点必须选定在振动位移为零的地方，否则会严重影响升压比和转换效 率。半波模谐振的支撑点应在压电陶瓷片的中间，全波模谐振的支撑点应在陶瓷片的1/4处。

3 压电陶瓷变压器的特点

压电陶瓷变压器与传统绕线型变压器比较，具有以下特点和优点：

(1)体积小，质量轻，器件几何形状呈超薄(厚度小于4mm)扁平结构，适宜片式化。同时，可根据实际需要制成长度和宽度振动模式的长方体压电变压器及径向振动的圆柱体压电变压器等。

(2)采用阻燃性压电陶瓷制成，不需要铜漆包线和磁心，没有磁饱和现象，不怕潮湿，不怕短路烧毁，安全性好。

(3)工作时是以高频振动的压电方式来实现能量的转换和传输的，不会产生也不受来自外界的电磁干扰。

(4)能量转换效率高，一般可达90％以上，最高可达98％。

(5)输出标准正弦波电压，尤其适用于驱动快速启动的冷阴极荧光灯(CCFL)。

(6)对于低阻负载具有准恒流输出特性，不会产生反峰电压，能对功率放大器起保护作用。

压电陶瓷变压器尽管有许多优点，但也存在一些不足之处，具体表现为：

(1)输出功率较小，单层器件输出功率一般仅为1～2W，多层器件输出功率可达30W。目前成熟产品的输出功率在10W之内，仅适用于小功率和高压小电流领域。

(2)在应用中的配套电路比较复杂，对使用成本和系统可靠性都造成一定影响。

(3)压电陶瓷变压器有一定的谐振频率，当工作频率低于谐振频率时，器件呈电容特性；高于谐振频率时，器件呈电感特性；只有在谐振频率附近时，器件才表现为电阻特性。因此，陶瓷变压器的工作频率受谐振频率的限制，工作带宽较窄，而电磁式变压器不受带宽限制，工作频率范围相对较宽。

4 压电陶瓷变压器的应用及其驱动电路

(1)应用领域

压电陶瓷变压器适用于高电压、小电流和较低功率的电子仪器和设备中，符合电子产品小型化、轻量化、薄型化、高效化及高可靠等方面的要求。全球信息产业日新月异，对压电陶瓷变压器提出了巨大的市场需求。

目前，压电陶瓷变压器主要用于电压升压和降压两个方面。压电陶瓷升压变压器的主要应用领域有冷阴极荧光灯驱动电路、液晶显示器、小功率激光管、电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发生装置中；降压型压电陶瓷变压器主要用于各种小型AC/DC和DC/DC模块电源、手提充电器和手机、摄像机等便携式产品的AC/DC适配器。从目前的情况看，压电陶瓷降压变压器的发展和应用滞后于压电陶瓷升压变压器。

(2)基本驱动电路

在20世纪90年代中后期之前，人们利用当时现有的资源，大多采用开关电源通用PWM控制器IC再附加电路来驱动压电陶瓷变压器。后来随着压电陶瓷变压器的迅速发展和日益广泛的应用，使世界各大半导体公司看到了商机．纷纷开发并推出了压电陶瓷变压器专用驱动IC。这些IC具有较宽的输入电压范围，能自动完成频率扫描和跟踪，以使压电变压器工作在准谐振状态。此类驱动IC有很多，如HLMM936、UCC3976、UCC3977和DIT8545等。

压电陶瓷变压器的驱动电路有单开关单端驱动方式、关推挽和半桥驱动方式及四开关全桥驱动方式等几种，其中单开关电路拓扑仅适用于驱动小功率压电陶瓷变压器，电路结构比较简单。

1)高压电源用单端驱动电路。图5所示为高压电源电路。该电路是一种DC/DC升压变换器拓扑，压电陶瓷变压器TC用作升压转换器件。控制器IC的振荡器频率能跟踪TC的谐振频率，IC的输出PWM信号驱动互补配置的晶体管VT1和VT2。当IC输出高电平时，VT1导通，UCC经限流电阻R和VT1对MOSFET (VT3)的栅极电容Cgs充电。当VT3、栅极电压达到开启电平时，VT3导通，电流通过电感器L使其储存能量。当IC输出低电平时，VT1截止，VT2导通，VT3截止。在VT3截止时，在L中产生反电势加至TC的输入端，脉冲幅度为UCC的2倍左右。TC输出端上产生的高频正弦波电压经VD1、VD2和电容器C整流滤波，输出一个DC高压(约3000V)。Ra、Rb为取样电阻分压器，在Rb上的采样信号反馈到IC，使高压输出稳定在设定值上。TC为KH3005型压电陶瓷变压器，尺寸为30mm×5mm×2.6mm，额定输出功率为3.5W，谐振频率为55kHz，输入电容为180pF，输出电容为26pF。

表1列出了MPT系列压电陶瓷变压器的尺寸与参数，供选用时参考。

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关键词 升压站；防误；发电厂

中图分类号TM6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）110-0046-02

华电国际邹县发电厂升压站目前220kV系统有5回出线，500kV系统有4回出线，220kV系统与500kV系统经两络变压器联结在一起。该厂8台发电机经升压站将强大的电能源源不断的送向系统，是山东电网的枢纽变电站。

电气运行的主要工作就是进行倒闸操作，来实现不同的运行方式以适应电网不同的运行要求。无论操作一次设备还是二次设备，都有发生误操作事故的可能，而一旦发生事故，轻则损坏设备，重则人身伤亡。通过对该厂当前设备操作任务的分析，结合现场实际情况，找出发生误操作事故的各种可能性，采取相应的措施，并制定出相应的对策，将其运用到实际工作中去，并使大家养成一个良好的操作习惯，使倒闸操作的正确率达到100%，杜绝误操作事故的发生，确保升压站设备的安全稳定运行。

1升压站一二次设备防误操作工作的重要性

1）邹县发电厂升压站有500kV、220kV、35kV三个电压等级，出线多，接线复杂，是山东电网的枢纽变电站，其地位特别重要。一旦发生误操作事故，从小的方面说是降低该厂八台机电量输出，往大的讲影响整个山东电网的安全运行，其后果不堪设想，杜绝误操作事故的发生，是保证安全生产的重中之重；

2）当设备发生故障时，为了最大限度地减少故障对电力系统的影响，就要求继电保护装置快速、准确动作，将故障切除。保护装置的正确动作与否，除了保护装置本身的性能外，还与压板的正确投、停息息相关；

3）该厂升压站设备较多，500kV系统为3/2接线方式。其保护配置复杂，压板操作次数多。要保证安全可靠运行，要求保护压板的投、停正确率为100%；

4）电力系统发生故障或异常时，为维持非故障设备的继续运行，对故障设备及时发现和处理十分必要。为保证系统运行的稳定性，要求故障的切除时间在几毫秒之内。显然，只有借助继电保护及自动装置，才能完成这个任务。

2 导致电气误操作事故的主要原因

1）通过历年来发生的电气误操作事故，找出以下导致电气误操作事故的主要原因：倒闸操作时，无票操作，不按操作票执行，漏项、倒项操作；

2）操作过程中，严重违反操作票制度，监护人自行操作；

3）监护人不认真执行监护制度，使操作人失去监护；

4）操作票审查时不仔细，错误未审查出来；

5）未进行四核对，操作时走错间隔；

6）设备原因；

7）无保护压板模拟操作系统图；

8）现场操作比较多，压板质量差，接触不良；

9）压板名称不明确，标签位置不一致，很容易看错；

10）人员精神状态不佳、思想麻痹、精力不集中；

11）交接班时间进行倒闸操作及操作任务安排不合理。 

3 防误操作因素性分析及针对性措施

操作票是电气倒闸操作最基本的依据，是保证操作正确性的重要手段，操作票的正确与否直接决定着倒闸操作的成功率，对此，我们对影响填写操作票正确性的各种因素进行讨论、分析。

3.1导致操作票错误的原因

1）接受倒闸操作命令有错误；

2）典型操作票不合格；

3）填写操作票不认真；

4）审核操作票不严格。

操作票管理制度执行不严格是发生电气误操作的主要原因，即使制度特别完善、非常健全，但是，各级人员在实际工作中，不按规章制度执行，从接令、填票、审核，未执行一级对一级负责原则，就可能导致误操作的发生。

3.2 操作票制度执行不严，主要表现及应对措施：

1）接受、操作命令不规范。采取措施：严格执行调度规程的有关部分。

2） 操作人、监护人业务水平差。采取措施：

（1）提高培训质量；

（2）熟练掌握一二次设备的性能；

（3）自身加强业务学习。

3）模拟操作不认真。采取措施：

（1）分项操作，严禁一次模拟完毕，每次只模拟要操作部分；

（2）保护动作，断路器跳闸时，模拟图要及时更改；

（3）模拟操作也必须唱票复诵；

（4）接令后进行模拟操作。

4）实际操作中，操作票制度执行不严格。采取措施：

（1）操作人、监护人必须是经过业务、安全培训的定岗人员，精神状态要佳；

（2）重大操作执行双重监护制度；

（3）严格操作纪律，禁止做与操作无关的事情；

（4）操作中必须唱票、复诵，并进行四核对；

（5）监护人全程监护，操作人必须在监护人监护下操作；

（6）操作完一项后，再打“√”；

（7）操作中有疑问，必须向值班负责人弄清楚后再操作；

（8）合接地刀闸前必须验电且用合适的绝缘工具；

（9）使用“万能钥匙”或解除闭锁必须经值长同意。

1）操作时间、任务安排不合理。采取措施：倒闸操作必须遵守《调度规程》的规定，倒闸操作应尽量避免在交接班、高峰负荷和恶劣天气时进行。避免安排当班的操作任务太多，操作时间长，无法按时完成，避免管理人员催赶操作人员快点操作，严禁操作过程中换人；如到交接班时间，必须操作告一段落后再进行交接班，双方必须认真做好交接工作，使接班方清楚运行方式以及操作任务状态、未操作内容；接班方应根据交班方提供的设备操作状况，详细检查设备的状态，并核对操作项后，对未完成的操作内容继续操作；

2）操作安全措施票和Q点确认制度执行不严。采取措施：组织技术力量对措施票和Q点确认制度中不足的地方加以改进。把制度执行情况纳入业绩量化考核。

3.3影响保护投停正确率的主要因素有以下几点：

1）没有压板模拟图，无法进行压板模拟操作。采取措施：制作保护压板示意图；

2）操作方法不当。保护压板距离很近，当一个压板投入或者停用时，如操作不当，会和相邻的压板相接触，造成短路，引起保护误动作，造成事故。采取措施：（1）制定一系列的压板投、停制度，对照实际保护屏进行现场技术讲课；（2）对距离近的保护压板，规定其停用时的位置为压板左侧45°角，防止造成压板短路；（3）跳闸压板投入时，必须测量其上、下端确无异常电压；（4）配备专用测量压板仪表，防止仪表打错档位造成保护误动；（5）操作压板必须两人进行，一人监护，一人操作，严禁单人操作压板；

3）操作票填写不规范。采取措施：规范《典型操作票》，规定保护装置上每一开关、压板的操作及检查，均必须填入操作票。

4 效果检查

1）历年操作统计

经过对每年的操作统计，操作票合格率和操作正确率均达到100%。

2）尤其可贵的是经过长期的努力，该厂已经养成了一种良好的操作习惯。比如：验电器的使用，首先在有电设备上检验验电器完好无损，然后再对要停电设备进行验电。未经过Q点确认，严禁执行下一项的习惯。

3）经济效益检查

若发生电气误操作不但会给设备和人身带来极大的危害，还会给该厂带来很大的经济损失。例如：500kV线路跳闸，必将减少发电机出力或者停一台机，除了少发电，还增加了开、停机费用，造成很大的经济损失，所以，防止电气误操作可产生巨大的经济效益。

4）管理效益检查

通过对策的实施，提高了安全生产水平，网控班安全生产天数创造了10400余天的新高，促进了班组管理水平的提高。

篇8

关键词：压电陶瓷片；共振；雾化；光路；可视化

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）3-0062-2

1 实验原理

该设计针对教科版初中物理八年级上册第四章中光的传播原理、折射反射原理、透镜成像规律等知识点[1]，创新设计了利用新材料压电陶瓷片共振时[2]，能直接将与压电陶瓷接触的水雾化成微小的水珠产生雾气，设计制作了光路可视化的实验装置。该装置可以清晰地展示光的直线传播、折射反射定律、透镜成像、望远镜的原理等涉及光路演示的有关实验。使学生对光学有一个全面的、立体的、可视的认知。

2 实验装置设计

图1所示为压电陶瓷共振雾化水电路设计示意图，我们可以看到此电路分为变压电源、压电陶瓷振荡器和简易水槽三部分组成。使用时，可通过适当调节变压电源上的变压旋钮，来控制水雾化的速度。图1中左下插图为压电陶瓷振荡器的实体图，该设计选定型号为20 mm的压电陶瓷振荡器为本设计的雾化源，如插图所示，其为圆环形状，中间喷雾，驱动电压为DC3―DC12 V，具有高转换效率，雾化力量大和价格低廉等特点。

图2所示为该设计整体实验装置的实物结构图，其由透明性较好的有机玻璃和卡扣组成半密闭性空间，内置相关光学实验所需的配套实验器材，以普遍且价格相对低廉的激光笔作为光源。

4 教具使用方法

（1）此教具学生可以人手一套，引导学生进行分组实验。透明的外壳由卡扣和有机玻璃板组合而成，学生可拼装箱子的大小，根据其所要探究的实验，制作教具，并分析产生该现象的原因。

（2）教具可以结合摄像头、投影仪等多媒体器件，进行演示实验。

（3）教具进行光路演示时注意遮挡日光，效果更加明显。

5 教具特色

（1）实验设计的特色是利用新材料压电陶瓷所固有超声波振荡特点，当振荡电路的振荡频率与压电陶瓷的固有振荡频率相同时产生共振，可以直接将与压电陶瓷接触的水雾化成微小的水珠从而产生雾气。教具的最大亮点是实现了光路的可视化，打破了传统的教与学形成的固定思维，巧妙地将看不见摸不着的光路呈现到学生面前。实验设计更有助于学生观察理解光学现象，同时也达到激发兴趣、培养能力的目的。

（2）实验装置具有操作简单，便于拼装，现象明显，使用安全，可演示大部分涉及光路的实验，并能验证一些生活中的现象。例如，舞台用的追光灯是把光源放在凸透镜的焦点上，使透镜发出平行光，然后照射在舞台上。

（3）实验装置采用新材料，成本廉价，取材于生活，体现了物理源于生活、回归生活的本质。

（4）可引导鼓励学生，自己动手制作教具，从而达到了寓教于乐的目的。

6 注意事项

由于实验中用到了激光笔，使用时要注意引导学生正确操作，不要相互照射，以避免损伤学生的眼睛。

参考文献：

篇9

关键词：创新设计 压电技术 电暖鞋

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0061-01

鞋子是人们日常生活的必需品，随着生活水平的不断提高，人们对鞋子的要求不仅仅从美观上升到了舒适，甚至追求其实现更多的功能来满足人们对高品质生活的追求。你是否还在为冬天的鞋子抵挡不住严寒的天气而烦恼？你是否还在为鞋子不停的汗湿而忧愁？立足于此，我们设想了一款以保暖为主要功能的电暖鞋。

1 原理

1.1 压电材料发电原理

当一陶瓷片在压力作用下上下表面产生电荷，其相当于一个电容，电容在其两极产生电荷后就储存了一定能量。从电学角度来看，压电片可以简化为一个正弦电流源ip（t），与内在的电极电容Cp并联，如下所示。假设电流源和电极电容Cp恒定，负载可调。由戴维南等效定理，该电路中阻抗为：

当时，即外接负载电阻和压电片等效阻抗相等时，负载吸收的能量最大。

1.2 能量传输和利用效率分析

当作用在压电片上的力消失后，压电元件产生的电荷立即消失。因此，需要外接电容对压电元件产生的电荷进行储存。设压电元件间电容为Cp，外接电容为C，产生的电能在两者之间再分配，根据传输结束后电压相等的关系，设C=aCp，其中，C为外接电容；Cp为压电元件间电容；。则电容C上储存的能量与产生能量的传输效率：

当，得a=1到。即C=Cp时，传输效率最大，此时n=25%。

1.3 能量收集过程

1.3.1 能量收集原理

压电元件产生的电荷是瞬间和交替的， 是以不规则的随机突发形式提供能量，由于受力的方向不同，极化方向不同，故而产生的电流方向也不同，使得压电陶瓷产生的是微弱的交流电。在能量收集过程中，我们将压电陶瓷与整流电路相连，将交流转化为直流。由于产生的电压与压力有关，压力的大小直接影响电压的大小，所以产生的电能是不稳定的。为了收集产生的电能，我们将电能与充电芯片相连，产生恒流对充电电池进行充电。

1.3.2 能量收集电路

我们使用CN3063芯片作为控制芯片对锂电池进行充电，运行无需微处理器控制，可以将一节锂电池恒流充电达500mA。当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时，CN3063开始对电池充电，CHRG管脚输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压Kelvin检测输入端（FB）的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压Kelvin检测输入端（FB）的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电， 充电电流由ISET管脚和GND之间的电阻RISET确定。

1.4 电路控制

电路控制部分主要由51单片机（stc89 c51）、传感器、执行器和隔离电路组成。STC89C52RC是采用8051核的ISP（In System Programming）系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。本项目使用的是温度和湿度传感器，测湿电路与单片机相连，利用覆盖在基片上的一层感湿材料制成的膜来吸附水蒸气导致湿敏电阻电阻率和电阻值发生变化的特性来测试湿度。通过温度传感器来检测周围温度的变化从而形成控制信号。执行器采用的是热电偶，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后 ， 即可知道被测介质的温度。由半导体管敏感器件和发光二极管构成光电隔离电路，工作时把输入信号加到输入端，使发光管发光，光敏器件在磁光辐射下输出光电流，从而实现电光点的两次转换。

2 组合方式

为增强发电装置的发电能力，可以采用多片压电振子并联或者串联的方式。

由于压电振子在每个振动周期产生的能量很小，且输出为高电压低电流的交流电。在实验中采取压电陶瓷并联的方式，可以获取更大的电流。同时，在能量收集电路中，外接电容与压电陶瓷极间电容相等时，能量传输效率最大，为25%。在压力一定的情况下，压电陶瓷装置的发电能力随着片数的增加呈现递增态势，因此，也可以增加压电陶瓷片数，来提高输出功率。

3 结语

通过以上设想，理论上能把人行走过程中的一部分能量转化为电能，达到节能的目的。尽管现在的设计还不够纯熟，但随着科学技术的不断更新和发展，新材料的不断涌现，定会使发电效率大大的提高，做出真正实用的物品。

参考文献

[1] 吴建远，姚永刚，丁芩华.基于压电陶瓷的人体能量收集系统的研制[J].压电与声光，2012（4）.

篇10

本发明涉及一种陶瓷基复合材料成形技术，综合了压注、注凝、浸渗的原理，用以制备形状复杂、结构组分密度均匀、高强度的陶瓷基复合材料坯体，再进行烧结即可获得高韧性陶瓷基复合材料制品。本发明提出的技术是一种创新的、制备高性能复杂形状纤维增强陶瓷基复合材料的低成本、近净尺寸的成形技术，与现有纤维增强陶瓷基复合材料成形制备技术相比，具有明显的优越性，成形时间短、生产效率高。

专利号：200810228400.2

氮化铝陶瓷材料及其制备方法

本发明公开了一种氮化铝陶瓷材料及其制备方法。该方法是在现有常用制备方法的原料中添加纳米氧化铝，再按照常规制备工艺进行制备。可通过直接添加纳米氧化铝或添加有机铝，如仲丁醇铝、异丙醇铝或乙酰丙酮铝，并借助有机铝的低温分解间接获得原位生长的纳米氧化铝。该方法可应用于干压成形和流延成形，采用常压或热压烧结等陶瓷制备工艺，可获得分散特性好、均匀混合的氮化铝和纳米氧化铝浆料，有利于提高物料的烧结活性、降低烧结温度，以及提高陶瓷基板的色泽一致性、平整度和粗糙度，降低生产成本，在氮化铝陶瓷生产领域具有广泛的应用。

专利号：200810224311.0

一种碳化硅陶瓷的制备方法

本发明公开了一种碳化硅陶瓷的制备方法，具体为：采用固相烧结法，将竹炭粉碎研磨后，与硅粉按质量比1:3混合，将硅碳混合物与酚醛树脂按质量体积比为1:1混合均匀；将混合物在140℃下预加热成形；在真空或者Ar气氛状态下，将温度升高到设定的最终烧结温度进行高温烧结；保持温度30min，冷却制得SiC陶瓷材料。本发明利用竹材生物结构通过高温烧结而得到的碳化物材料，竹材在绝氧条件下进行炭化得到具有竹材孔隙结构的炭骨架，以此作为陶瓷相渗入和反应的生物模板，通过金属或者无机非金属物质渗入、烧结反应，使得到的陶瓷不仅具有竹材的精细结构，而且增加了反应面积，提高了合成速度，具有一般陶瓷制备方法无法比拟的优点。

专利号：200810224957.9

精铸用自反应氧化铝基复合陶瓷型芯及其制备方法

本发明提供了精铸用自反应氧化铝基复合陶瓷型芯及其制备方法，该复合陶瓷型芯是由刚玉粉及原位合成的钛酸铝、二钛酸镁和莫来石组成，所述复合陶瓷型芯由下列重量配比的原料制成：不同粒度的刚玉粉70～85%、氧化镁粉0～2%、二氧化钛粉8～20%、蓝晶石粉6～10%，并加入占该四种原料总质量的1～3%的碳粉作为易溃散剂。所述方法将前述原料混合，干压成形后高温烧制而成。本发明氧化铝基体中添加其他原料，所制备的陶瓷型芯高温化学稳定性和热稳定性良好；热膨胀系数较低；烧结后收缩率小，室温和高温强度均满足精密铸造用陶瓷型芯的要求。

专利号：200810199121.8

一种高性能中低温烧结高压陶瓷电容器介质

一种高性能中低温烧结高压陶瓷电容器介质，涉及无机非金属材料技术领域，它采用常规的高压陶瓷电容器介质制备方法，利用电容器陶瓷的普通化学原料，制备得到无铅、无镉的无毒高性能中低温烧结(烧结温度为1100～1150℃)的高压高稳定陶瓷的电容器介质，该介质适合于制备单片陶瓷电容器和多层片式陶瓷电容器，能大大降低陶瓷电容器的成本，并且在制备和使用过程中不污染环境，其特征在于所述介质的配方包括(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分别是采用常规的化学原料以固相法合成。其耐压高，可达10kV/mm以上，介电常数为2200～3500，电容温度变化率小，符合X7R特性、Y5T和Y5U特性的要求，使用过程中性能稳定性好，安全性高，对环境无污染。

专利号：200810155056.9

一种用于降低电声转换器压电陶瓷烧结温度的添加物