免费论文：光机转换材料PLZT的性能及应用研究

光传操纵系统（Fly-By-Light，即FBL）是提高飞机抗电磁干扰能力以及操纵性能的理想解决方案，其中光传硬件的设计是光传操纵系统研究的核心。综合目前光传硬件的研究状况，光作动器的实现是难点之一。要实现光作动器，关键是要找到一种载体可将光能转变成机械能输出。具备光–机转换特性的陶瓷材料PLZT的出现为光作动器的实现提供了一种研究思路。 PLZT陶瓷是镧置换铅锆钛酸铅的简称，它在波长为365nm的紫外光照射下产生微量伸长或缩短变形，这种性能称为光致伸缩性能（Photostrictive Effect）。PLZT的光致伸缩性能是反常光生伏打效应（Anomalous Photovoltaic Effect，简称APV）和逆压电效应的叠加。 由于单片PLZT的伸缩量很小，实际应用中常采用双晶片结构形式，通过弯曲形变放大位移量。传统双晶片数学建模将变形后形状假设为圆弧状，仅从几何关系来推导变形过程，建模不精确。本文运用材料力学和晶体光学知识，经过严密数学推导得到双晶片变形后的形状是抛物线。把两种模型同双晶片实际变形进行比较发现，抛物线变形同双晶片实际变形更接近。由于对PLZT能把多少入射光转化为机械能没有一个定量的概念，所以进行了双晶片的能量转化效率的研究，对PLZT的转换性能进行量化表达。 搭建了PLZT光致伸缩反应实验台，进行了单晶片实验研究。采集晶片在一定光强紫外光照射下的形变量数据点，拟合数据点得到实际变形方程。从实验结果来看，PLZT最大的问题是响应速度慢，远低于理论上200Hz的响应频率，这主要是由实验中存在干扰、操作误差、所用陶瓷片非最佳光致伸缩特性及测量方式为接触式测量等诸多因素导致。 针对PLZT响应较慢的问题，研究了影响PLZT响应特性的因素和提高响应性能的措施。PLZT的响应特性受材料参数、加工工艺、试样尺寸和表面特征以及光照强度的影响。晶片中产生的光电流越大，响应越快，通过提高光电流改善PLZT的响应速度。建立了光电流同陶瓷厚度关系的数学模型，经分析得到如下结论：对成分确定的PLZT样品来说，存在一个最佳厚度使晶片中产生的光电流最大。将陶瓷厚度调为最佳厚度，同时提高光强，响应速度明显提高。 应用PLZT双晶片加长板结构设计了双喷嘴挡板光控伺服系统，建立了系统的数学模型。采用双边照射的预开关控制方式控制双晶片的弯曲方向和位移量。系统的阶跃响应表明位移精度较高但响应不理想。应用PLZT叠堆结构作为驱动部件设计了微定位平台，台体由直角平板柔性铰链作为传动部件实现二维运动。用ANSYS和MATLAB进行了微定位平台的尺寸优化设计。系统的阶跃输入和正弦跟踪仿真结果表明，平台的定位误差在5nm范围内，满足精密定位的要求。

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