發(fā)布時間：2020-10-14 06:17

　　 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、計算仿真和實驗研究相結(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)計及其控制策略原理性驗證實驗等問題進(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0-1極化PLZT陶瓷光致特性靜態(tài)實驗,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)實驗現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了實驗驗證,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。采用理論研究和實驗研究相結(jié)合的方法,建立了0-1極化PLZT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)實驗證明了所建立的數(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變及光生電壓的變化規(guī)律�；�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)行了實驗驗證;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)計方案。對光控微鏡平移機(jī)構(gòu)的剛度、實際放大倍數(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?開展了控制策略的原理性實驗研究。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)實驗進(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 ON-OFF閉環(huán)控制仿真;搭建實驗平臺,進(jìn)行了單片0-1極化PLZT陶瓷光致形變和光生電壓的ON-OFF閉環(huán)控制實驗以及PLZT雙晶片光生電壓的雙光源ON-OFF交替控制實驗。實驗結(jié)果表明,單片0-1極化PLZT陶瓷的光致形變和光生電壓可以通過ON-OFF閉環(huán)控制策略實現(xiàn)較高精度的動態(tài)控制,PLZT雙晶片的光生電壓在雙光源控制下可以實現(xiàn)快速控制,從而驗證了本文所提出的控制策略的有效性,證實了新型光控復(fù)合驅(qū)動方式的可行性。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

比較有代表性的模型有貝里尼切爾－斯圖爾曼模型格拉斯模型及光致??激化漲落模型ｔｓｉ’５２３等。除此之外，Ｂｒｏｄｙ等人在１９８３年用ｉ？Ｃ充電電路模型來描述光致??伸縮作動器極化方向上光電場強(qiáng)度的變化規(guī)律，得到了表征光致伸縮作動器響應(yīng)速度的??時間常數(shù)，并指出時間常數(shù)由光致作動器的光電阻和光電容決定ｔｓｓｊ；?Ｐｏｏｓａｎａａｓ等人在??２０００年提出光學(xué)的二次非線性是導(dǎo)致反常光生電場的原因，嘗試?yán)秒妷涸茨Ｐ蛯Ψ闯??

波長對ＰＬＺＴ陶瓷光致電流的影響，指出入射光波長在％５ｎｍ附近時光致電流達(dá)到最大??口４］；?Ｎａｋａｄａ等人研究了光照強(qiáng)度對光致電壓、光致電流Ｗ及光電阻的影響規(guī)律，并進(jìn)??一步探討了?ＰＬＺＴ陶瓷長寬比、光照強(qiáng)度與光電阻的關(guān)系，如圖１－１所示心５６３；?Ｃｈｕ等??人研究了入射光的偏振方向與ＰＬＺＴ陶瓷的夾角對光致電壓及光致電流的影響規(guī)律，如??圖１－２所示ＰＵ，同時探究了慘雜濃度對光致電壓和光致電流的影響，如圖１－３所示??Ｉｃｈｉｋｉ等人研究了?ＰＬＺＴ陶瓷的晶體取向度對反常光生伏特效應(yīng)的影響規(guī)律，指出（００１）??取向的ＰＬＺＴ薄膜表現(xiàn)出的光伏電能比隨機(jī)取向的薄膜高約２０倍??ＰＬＺＴ－Ｗ０３?（０．４％）?ＰＬＺＴ－ＷＯ？?（Ｏ．５０／０）??國藝◎??０?５０?１?陽?ＩＳＯ?０?５０?Ｉ?加?１巧??偏轉(zhuǎn)角（巧?偏轉(zhuǎn)角（巧??？?（ａ）?（ｂ）??ｔ?ＰＬ之Ｔ－Ｗｂｓ?（０．６〇／〇）?ＰＬＺＴ－ＷＱ＾ｄ％）??許戸７１！朽７謹(jǐn)??０?典?１００?１泌?０?巧?１００?１扣??偏轉(zhuǎn)角（巧?偏轉(zhuǎn)角（巧??（Ｃ）?州??圖１－２入射光的偏振方向與ＰＬＺＴ陶瓷的夾角對光致電壓及光致電流的影響關(guān)系Ｗ??２０?Ｉ???■??０．０?Ｑ．２?０．４?０．６?０．１?，＇〇??ＷＯ３接雜濃度（ａｔｍ％）??圖１－３慘雜濃度對光致電壓和光致電流的影響關(guān)系Ｐｑ??Ｐｏｏｓａｎａａｓ等人研究了?ＰＬＺＴ陶瓷的厚度與光照表面的粗糖度對光致電壓和光致電??流的影響規(guī)律

波長對ＰＬＺＴ陶瓷光致電流的影響，指出入射光波長在％５ｎｍ附近時光致電流達(dá)到最大??口４］；?Ｎａｋａｄａ等人研究了光照強(qiáng)度對光致電壓、光致電流Ｗ及光電阻的影響規(guī)律，并進(jìn)??一步探討了?ＰＬＺＴ陶瓷長寬比、光照強(qiáng)度與光電阻的關(guān)系，如圖１－１所示心５６３；?Ｃｈｕ等??人研究了入射光的偏振方向與ＰＬＺＴ陶瓷的夾角對光致電壓及光致電流的影響規(guī)律，如??圖１－２所示ＰＵ，同時探究了慘雜濃度對光致電壓和光致電流的影響，如圖１－３所示??Ｉｃｈｉｋｉ等人研究了?ＰＬＺＴ陶瓷的晶體取向度對反常光生伏特效應(yīng)的影響規(guī)律，指出（００１）??取向的ＰＬＺＴ薄膜表現(xiàn)出的光伏電能比隨機(jī)取向的薄膜高約２０倍??ＰＬＺＴ－Ｗ０３?（０．４％）?ＰＬＺＴ－ＷＯ？?（Ｏ．５０／０）??國藝◎??０?５０?１?陽?ＩＳＯ?０?５０?Ｉ?加?１巧??偏轉(zhuǎn)角（巧?偏轉(zhuǎn)角（巧??？?（ａ）?（ｂ）??ｔ?ＰＬ之Ｔ－Ｗｂｓ?（０．６〇／〇）?ＰＬＺＴ－ＷＱ＾ｄ％）??許戸７１！朽７謹(jǐn)??０?典?１００?１泌?０?巧?１００?１扣??偏轉(zhuǎn)角（巧?偏轉(zhuǎn)角（巧??（Ｃ）?州??圖１－２入射光的偏振方向與ＰＬＺＴ陶瓷的夾角對光致電壓及光致電流的影響關(guān)系Ｗ??２０?Ｉ???■??０．０?Ｑ．２?０．４?０．６?０．１?，＇〇??ＷＯ３接雜濃度（ａｔｍ％）??圖１－３慘雜濃度對光致電壓和光致電流的影響關(guān)系Ｐｑ??Ｐｏｏｓａｎａａｓ等人研究了?ＰＬＺＴ陶瓷的厚度與光照表面的粗糖度對光致電壓和光致電??流的影響規(guī)律
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2840307