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    壓電陶瓷的剛度是恒定不變嗎?

    來源:哈爾濱芯明天科技有限公司   2018年05月08日 09:50  

     感謝關注芯明天科技——壓電納米定位技術行業!

    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。

    剛度與橫截面積A成正比例關系,橫截面積越大則剛度越大,剛度與長度成反比例關系,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。

    實際應用的過程中,這種關聯關系是非常復雜的。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值。

    上面的公式并不能準確表達實際應用情況,剛度還取決于如何操作(靜態、動態操作)以及環境的影響(負載、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性能。

    1. 剛度測試過程

    壓電陶瓷隨著不同壓縮負載而變化,壓力通過壓力傳感器監測。

    A 短路連接                B開路連接

    測試過程:

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

    測試結果:

    剛度不同的原因是由于正壓電效應,機械壓力產生電荷負載。

    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,內部消耗。但是B方式電荷保持在壓電陶瓷內,因此引線兩端存在機械力產生的電壓。相當于壓電陶瓷內部產生了電場。這個電場使壓電陶瓷穩定以抵抗壓縮力。 

    理論依據:

    A方式引線短接,相當于電壓控制,機械產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,理論上相當于電荷或電流控制,機械力產生的電荷存留在壓電陶瓷內,壓電陶瓷電壓隨著負載力的變化而變化。 

    開路電流控制的優勢主要在于動態位移控制。

    更大的系統剛度可以通過閉環位置控制獲得,相較于閉環控制,開路電流控制的響應速度更快。

    2.封裝壓電陶瓷的剛度

    參數表里的剛度數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構連接后,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去。

    系統整體的剛度取決于所有的機械部分:比較弱的點經常是設計中連接結合點。

    3. 放大機構促動器的剛度

    機構放大式結構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),n為機構放大倍數。

    4.剛度參數解讀

    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)

     剛度在一定程度上取決于預緊力情況。

    參數表里的剛度數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,參數表里的數值用于理論分析。

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