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壓電陶瓷的剛度是恒定不變嗎?

更新時間: 2018-05-08

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剛度 Stiffness 

您可以把壓電陶瓷理解為一個機械彈簧,具有恒定的剛度C,剛度對于諧振頻率以及出力來說是一個非常重要的參數(shù)。

剛度與橫截面積A成正比例關(guān)系,橫截面積越大則剛度越大,剛度與長度成反比例關(guān)系,壓電陶瓷的長度增加,剛度降低。

例如:

PSt150/5×5/7, 橫截面積為5mm×5mm,高度為9mm,剛度C=120N/μm。如果橫截面積不變,長度增加到18mm,此時的剛度將會降低一半為60N/μm,如果選擇PSt150/7×7/20,橫截面積約為PSt150/5×5/20的兩倍,則剛度為120N/μm。

實際應(yīng)用的過程中,這種關(guān)聯(lián)關(guān)系是非常復(fù)雜的。剛度也受到其他因素影響,比如說電極的連接方式等,因此剛度不是一個恒定的數(shù)值。

上面的公式并不能準(zhǔn)確表達(dá)實際應(yīng)用情況,剛度還取決于如何操作(靜態(tài)、動態(tài)操作)以及環(huán)境的影響(負(fù)載、供電,小信號或大信號),剛度可能會受到這兩個或更多因素影響。因此公式只能是粗略的估算壓電陶瓷的參數(shù)性能。

  1. 剛度測試過程

壓電陶瓷隨著不同壓縮負(fù)載而變化,壓力通過壓力傳感器監(jiān)測。

A 短路連接                B開路連接

測試過程:

選擇PSt150/10×10/20(配置電阻應(yīng)變計),給其加載2kN軸向力,壓電陶瓷的壓縮量通過應(yīng)變計和應(yīng)變放大器監(jiān)測。如下圖所示。

測試結(jié)果:

剛度不同的原因是由于正壓電效應(yīng),機械壓力產(chǎn)生電荷負(fù)載。

A、B兩種引線方式測得的剛度不同:

A=>200N/μm

B=>450N/μm

A方式,兩個電極線短接,電荷可以流動,內(nèi)部消耗。但是B方式電荷保持在壓電陶瓷內(nèi),因此引線兩端存在機械力產(chǎn)生的電壓。相當(dāng)于壓電陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生了電場。這個電場使壓電陶瓷穩(wěn)定以抵抗壓縮力。 

理論依據(jù):

A方式引線短接,相當(dāng)于電壓控制,機械產(chǎn)生的電荷相對流動來保持壓電陶瓷兩端的電壓恒定,電荷被消耗。 

B方式引線開路,理論上相當(dāng)于電荷或電流控制,機械力產(chǎn)生的電荷存留在壓電陶瓷內(nèi),壓電陶瓷電壓隨著負(fù)載力的變化而變化。 

開路電流控制的優(yōu)勢主要在于動態(tài)位移控制。

更大的系統(tǒng)剛度可以通過閉環(huán)位置控制獲得,相較于閉環(huán)控制,開路電流控制的響應(yīng)速度更快。

2.封裝壓電陶瓷的剛度

參數(shù)表里的剛度數(shù)值是移動端受力損失的位移,通過移動端或前端殼體外螺紋與外部機械結(jié)構(gòu)連接后,整體的剛度降低,因為力的傳輸包括了陶瓷和殼體,在理論分析時需要將這一點考慮進(jìn)去。

系統(tǒng)整體的剛度取決于所有的機械部分:比較弱的點經(jīng)常是設(shè)計中連接結(jié)合點。

3. 放大機構(gòu)促動器的剛度

機構(gòu)放大式結(jié)構(gòu)促動器整體的剛度會降低。

出力約為壓電陶瓷出力的1/n,整體的剛度降低到大約1/(n×n) (基于陶瓷的原始參數(shù)),n為機構(gòu)放大倍數(shù)。

4.剛度參數(shù)解讀

電壓控制壓電陶瓷的剛度大概為相同尺寸鋼柱的20%左右。

 相同材料極化的壓電陶瓷的彈性模量大不相同:

  各項異性(取決于施加力的方向和極化軸)

 取決于施加的電場變化(小信號與大信號激勵)

   (PZT材料參數(shù))

 剛度在一定程度上取決于預(yù)緊力情況。

參數(shù)表里的剛度數(shù)值是小信號電壓控制下測得的,一定要注意剛度有20%的公差,參數(shù)表里的數(shù)值用于理論分析。

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