压电陶瓷微位移器件性能分析
压电陶瓷电特性测试与分析
摘要：通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。
通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知：压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点，所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显，在常温下工作较稳定，厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。
关键词：压电陶瓷；等效电路模型；电特性；可靠性0 引言压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。
它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。
与其他压电材料相比，具有化学性质稳定，易于掺杂、方便塑形的特点[1]，已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。
利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作人体红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。
通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。
为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。
我国对生态环境的保护也是相当重视的。
因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。
但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。
因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。
本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。
1 测量参数和实验方法依据目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下：GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试）GB 11312-89 压电陶瓷材料和压电晶体声表面波性能测试方法GB 11310-89 压电陶瓷材料性能测试方法相对自由介电常数温度特性的测试压电陶瓷蜂鸣片由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。
压电陶瓷 最大输出位移
压电陶瓷最大输出位移1. 引言1.1 压电陶瓷概述压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有压电效应的陶瓷材料称为压电陶瓷。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力或电场刺激时会发生形变或电极化现象。
压电陶瓷具有较高的机械强度、良好的化学稳定性和优良的压电性能，因此被广泛应用于传感器、马达、换能器等领域。
压电陶瓷具有多种规格和型号，可以根据具体的应用需求选择不同的压电陶瓷材料。
在工程领域中，压电陶瓷扮演着重要的角色，其在传感、控制、信号处理等方面都有广泛的应用。
随着科技的不断进步，压电陶瓷的性能和应用领域也在不断扩展和提升。
压电陶瓷是一种具有特殊性能和广泛应用前景的陶瓷材料，其在现代工程中具有重要地位，对于促进科技进步和社会发展具有重要意义。
1.2 压电效应简介压电效应是指在受到外力作用时，物质会产生电荷的分离或聚集，并在晶格结构内部产生电场的现象。
这种效应是由于压电材料的晶格结构具有非中心对称性，因此在受到应力变化时会产生极化现象。
压电效应是压电陶瓷的重要特性之一，也是其广泛应用的基础。
当外界施加压力或扭曲时，压电陶瓷会发生极化现象，即产生正负电荷的分离。
这种极化效应会导致压电陶瓷内部产生电场，从而使其表现出压电性质。
压电效应不仅可以实现电能到机械能的转换，还可以实现相反的机械到电的能量转换。
这种双向转换能力使得压电陶瓷在传感器、执行器等领域具有广泛的应用前景。
压电效应是压电陶瓷材料独特的物理现象之一，其在实际应用中能够为工程领域提供稳定可靠的解决方案，具有重要的意义和价值。
压电效应的简介将有助于深入了解压电陶瓷的特性和应用前景。
2. 正文2.1 压电陶瓷的结构和工作原理压电陶瓷是一种具有压电效应的材料，其结构和工作原理对于理解其性能和应用至关重要。
压电陶瓷通常由铅锆钛酸钠、铅镁铌酸、铅钛锆酸钡等材料构成，具有特殊的晶体结构。
在外加电场的作用下，压电陶瓷会发生形变，从而产生电荷，实现能量的转化与传递。
压电陶瓷电特性测试与分析
通过该测试可以确定0.12 mm厚度样品的fm1=8.6 kHz，fn1=8.9 kHz，0.15 mm厚度样品的谐振频率为fm2=5.9 kHz，fn2=6.2 kHz。与厂家所给标称频率9 kHz和6 kHz相比较，标称频率更接近fn。
此外，通过对比谐振频率点与厂家所标识的频率，发现所标识的频率应该是其谐振频率，只是与实际测试值存在偏差，符合行业标准SJ/T10709-1996（压电陶瓷蜂鸣片总规范）中谐振频率标识的要求，但是对于标准中关于材料、结构、电极形状等参数，厂家却并没有按标准所要求的格式标识出来。
2.2 串、并联连接测试
为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。我国对生态环境的保护也是相当重视的。因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。
图3 ?压电振子的阻抗|Z|与频率的关系
使用HP公司E4980A CLR测试仪分别对标称频率为9 kHz的总厚度0.12 mm尺寸样品5只和标称频率为6 kHz的总厚度0.15 mm尺寸的样品5只进行扫频测量。找出阻抗最小和最大时的频率点fm、fn，按标准GB/T 6427-1999中的测量方法：使试样的阻抗最小，此时频率为谐振频率fr，见图4。
压电陶瓷蜂鸣片由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。当在压电振动板的两个电极间施加直流电压时，由于逆压电效应，导致金属片机械变形。因此，当交流电压穿过电极时，金属片弯曲就会交替重复发生，从而在空气中产生声波，如图1。
WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性建模与实验验证
WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性建模与实验验证王代华;朱炜【摘要】为了模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间的迟滞曲线,通过采用Bouc-Wen模型模拟迟滞分量,提出了一种表征WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间迟滞关系的Bouc-Wen模型并建立了相应的参数辨识方法.为了验证Bouc-Wen模型及其相应的参数辨识方法的有效性,建立了相应的实验装置并对模型进行了实验验证.研究结果表明,Bouc-Wen模型的最大绝对误差为3.78 μm,最大相对误差为5.79%,表明Bouc-Wen模型及相应的参数辨识方法能较好地模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2010(018)001【总页数】7页(P205-211)【关键词】压电陶瓷微位移器;迟滞曲线;Bouc-Wen模型;参数辨识【作者】王代华;朱炜【作者单位】重庆大学,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学,光电工程学院,精密与智能实验室,重庆400044;重庆大学,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学,光电工程学院,精密与智能实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TN384;TH703.91 引言压电陶瓷微位移器具有体积小、能量密度高、定位精度高、分辨率高、频响快等优点,在精密定位、微机电系统、微纳米制造技术、纳米生物工程等领域中得到了广泛应用。
但是压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压呈现迟滞现象的特性给压电陶瓷微位移器的控制带来了困难。
为了模拟压电陶瓷微位移器的迟滞特性,国内外学者对压电陶瓷微位移器的数学模型进行了大量研究,提出了模拟其迟滞特性的Preisach模型[1-3]、Maxwell模型[4]、Dahl模型[5]等。
Preisach模型通过对迟滞因子的双重积分来逼近迟滞特性,但是存在在线实现复杂,难于与控制器相结合的缺点。
压电陶瓷驱动的微位移工作台建模与控制技术研究
压电陶瓷驱动的微位移工作台建模与控制技术研究一、本文概述随着科技的快速发展，微位移技术作为精密工程领域的关键技术之一，在光学、电子、生物医学、航空航天等众多领域发挥着越来越重要的作用。
微位移工作台作为实现微位移操作的重要设备，其性能直接影响到相关领域的精密加工和测试精度。
压电陶瓷驱动的微位移工作台因具有响应速度快、位移分辨率高、控制精度高等优点，成为当前研究的热点。
本文旨在深入研究压电陶瓷驱动的微位移工作台的建模与控制技术，以提升其运动性能和稳定性。
我们将对压电陶瓷的基本特性进行分析，建立其精确的数学模型，为后续的控制算法设计提供理论基础。
在此基础上，我们将研究压电陶瓷微位移工作台的动态特性，分析影响其运动精度的主要因素，并提出相应的补偿策略。
本文将重点探讨压电陶瓷微位移工作台的控制技术。
我们将研究并比较不同控制算法在压电陶瓷驱动系统中的应用效果，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等，以找到最适合压电陶瓷微位移工作台的控制方法。
同时，我们还将研究如何结合现代控制理论，如自适应控制、鲁棒控制等，进一步提高微位移工作台的动态性能和稳定性。
本文将通过实验验证所提出建模与控制技术的有效性。
我们将搭建压电陶瓷微位移工作台的实验平台，进行动态性能测试和控制算法验证，以评估所提出技术的实际应用效果。
通过本文的研究，我们期望能够为压电陶瓷驱动的微位移工作台的设计和应用提供有益的参考和指导。
二、压电陶瓷驱动技术基础压电陶瓷，作为一种功能陶瓷材料，具有独特的压电效应，即在受到外部机械力作用时会产生电荷，反之，当受到电场作用时则会发生形变。
这种特性使得压电陶瓷在微位移控制领域具有广泛应用。
压电陶瓷驱动器（Piezoelectric Ceramic Actuator, PCA）利用压电陶瓷的逆压电效应，通过施加电压实现陶瓷材料的微小形变，从而驱动负载产生微位移。
压电陶瓷驱动器的优点显著，包括响应速度快、位移分辨率高、驱动电压低、结构紧凑且易于集成等。
压电陶瓷微位移器特性测试实验研究
压电陶瓷微位移器特性测试实验研究
李明;薛晨阳;翟成瑞
【期刊名称】《纳米科技》
【年(卷),期】2009(006)003
【摘要】运用光学干涉原理,结合微系统测试分析仪器,分别对压电陶瓷管和压电陶瓷位移器的非线性特性进行测试研究,主要对升压及降压时PZT位移进行测试和电源驱动器闭环状态下的性能测试.
【总页数】4页(P61-64)
【作者】李明;薛晨阳;翟成瑞
【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室;中北大学电子测试技术国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室;中北大学电子测试技术国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH74
【相关文献】
1.航天压电陶瓷微位移作动器设计与实验研究 [J], 阎绍泽
2.压电陶瓷微位移器的实验研究 [J], 芮小健;张幼桢
3.微位移系统中压电陶瓷驱动器迟滞建模 [J], 吕雪军;李国平;邱辉;李剑锋
4.压电陶瓷微位移驱动器在FY-3卫星G型辐射制冷器上的应用 [J], 涂锋华;王维
扬;董德平;付立英
5.激光陀螺稳频器压电陶瓷片微位移自动化测量 [J], 李欣;王晓东;罗怡;任同群因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
压电 微位移台
压电微位移台是一种利用压电效应实现微小位移控制的装置。
压电效应是指某些晶体在受到外加电场作用时，会发生微小的形变，进而引起位移。
压电材料通常是具有压电效应的晶体材料，如二氧化锆（ZrO2）、铅锆钛酸铁（PZT）等。
压电微位移台通常采用了压电陶瓷作为驱动器。
当施加电压时，压电陶瓷会发生压电效应，从而使得微位移台发生微小的位移。
这种位移可以用来实现微调、微精度定位、振动控制、调焦等功能。
压电微位移台具有快速响应、高精度、微小尺寸等特点，因此在精密仪器、光学设备、纳米技术等领域得到广泛应用。
压电微位移台通常包括压电陶瓷驱动器、位移传感器、控制电路等组成部分。
驱动器通过施加电压控制位移，位移传感器用于测量位移的大小和方向，在控制电路的控制下，实现对位移的精确控制。
压电微位移台的应用范围广泛，包括精密仪器的调试与组装、激光微加工、生物医学研究、纳米尺度测量等领域。
它在这些领域中的应用可以实现微小调整和精确定位，以满足各种精密应用的要求。
压电陶瓷材料的主要性能及参数
压电陶瓷材料的主要性能及参数自由介电常数εT33（free permittivity）电介质在应变为零（或常数）时的介电常数，其单位为法拉/米。
相对介电常数εTr3（relative permittivity）介电常数εT33与真空介电常数ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一个无因次的物理量。
介质损耗（dielectric loss）电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。
损耗角正切tgδ（tangent of loss angle）理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90 0，但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗，电流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ+ψ=900）称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tgδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。
即：电学品质因数Qe（electrical quality factor）电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无因次的物理量。
若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则Qe=1/ tgδ=ωCR机械品质因数Qm（mechanical quanlity factor）压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数。
它与振子参数的关系式为：泊松比（poissons ratio）泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比，是一个无因次的物理量，用δ表示：δ= - S 12 /S11串联谐振频率fs（series resonance frequency）压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率，用f s 表示，即并联谐振频率fp（parallel resonance frequency）压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率，用f p 表示，即f p =谐振频率fr（resonance frequency）使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率，用f r 表示。
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压电陶瓷微位移器件性能分析
我国1426所在80年代研制出的WTDS-I型电致伸缩微位移器在国内许多研究部门得到应用，但生产单位没有及时对该器件的迟滞、蠕变、温度特性，尤其是动态特性进行必要的研究。
作者根据本文的研究需要，对国内应用该产品的情况进行了大量调研和实验研究，从而获得了一些有关该产品性能的情况，现介绍如下：
一、迟滞及蠕变特性
图5.9是作者测得的WTDS-I电致伸缩微位移器的电压 位移实验曲线。
从实验中发现，在高压段，微位移器出现蠕变现象，即在一定电压下，位移达到一定值后随时间缓慢变化，在较长的时间内达到稳定值，这一现象是微位移器内部电介质在电场作用下的极化驰豫造成的。
图5.10是在300伏时，微位移器位移随时间的变化曲线。
二、温度特性
原航空航天部303所对WTDS-I型电致伸缩微位移器的温度特性进行了测试。
图5.11是在一定电压下，微位移器的伸长量与温度的关系曲线，当温度低于0℃或超过20℃时，伸长量变小。
三、压力特性
在作者的要求下1426所对WTDS-I型电致伸缩微位移器的压力特性作了实验，图5.12是实验曲线，该曲线表示在某一电压下器件伸长量（不包括器件因受力而产生的压缩量）与压力的关系，△S表示在某一压力下的伸长量，S0表示空载时的伸长量，303所也做了这一实验，其结果相同。
从图中可以看出：压力对位移量的影响不大。
四、刚度特性
刚度是指器件本身抵抗外力而产生变形的能力。
哈尔滨工业大学机械系对WTDS-IB型电致伸缩微位移器件作了这方面的实验。
图5.13是刚度特性曲线，在不加电压的情况下，得到的器件压缩量与压力的关系。
压缩量—力回归关系式为：
S = 0.155F + 2.96
其中S—器件的压缩量(µm) , F—施加外力 (N)
其相关系数为：r = 0.988
刚度为： 6.45(N/µm)
从图5.13中可以看出：在载荷较小时压缩量随载荷的加大而增加较快，而在载荷较大时压缩量随载荷的加大而增加较慢，且基本呈直线关系增加。
这主要是
由于器件的叠堆结构造成的，叠堆是由多
片压电陶瓷薄片粘接而成，各薄片间的接
触刚度较差，随外力的增加，由于接触变
形使接触面积增大，刚度提高，因而出现
了如图5.13所示的压缩量与载荷的关系曲
线。
图5.14为在不同压力下的电压—位移曲线。
从图中可以看出，微位器的位移随载荷的增加而减小，但电压—位移关系曲线的基本形状不变。
五、动态特性
压电陶瓷器件是在电场作用下产生位移输出，具有较高的响应速度，但在电学上压电陶瓷器件等效为一个电容，因此，器件响应速度不仅取决于其自身等效电容值的大小，而且还与所采用驱动电源的品质有密切的关系，电源的驱动能力 和响应特性直接影响到器件的动态特性，
由于应用WTDS-I 型的研究部门，根据各
自的不同需要，所采用的驱动电源的原理
及性能有所不同，因此得到的WTDS-I 型
电致伸缩器件的动态特性也不尽相同，所
以作者根据本文的研究需
要研制出精度高、动态性能好、驱动能 图5.15 电致伸缩微位移器简化模型 力强的驱动电源，对WTDS-I 型电致伸缩位移器的动态特性作了进一步研究。
图5.15是微位移器的简化模型，C 为微位移器的等效电容，R C 为电压放大电路的等效充放电电阻，Km 是微位移器的电压位移转换系数，根据微位移与电压的关系式
X K U m =0
2 可推导出在单位阶跃电压输入作用下，微位移器的位移输出响应简化模型为： X t K e e m t Tm t Tm ()()//=−+−−122 (5.16) 式中： T m = R c C
从图5.9中可以看出，在电压大于120伏时，微位移器的输出位移有较好的线性度，电压变化范围较小时，迟滞也较小，至于蠕变，它是一个缓慢量，在较长的时间范围内才有所体现，因此，在局部范围内可以认为位移是线性的，从而得到如下关系式：
∆X = K e ∆U c
式中：∆X —位移变化量(µm)；∆U —电压变化量(v)；
K c —可变电压位移转换系数(µm/v)；
从而得到微位移器的传递函数为： G s X s U s K T S
c i c m ()()()==+∆∆1 (5.17) 通过在不同电压段下，对微位移器施加阶跃电压信号，得到微位移器的位移阶跃响应特性。
图5.16 (a)为施加在WTDS-I 型电致伸缩陶瓷微位移器上的0-160v 方波电压，图5.16 (b)、图5.16 (c)是图5.16(a)上升和下降部分的放大图。
图5.17为电致伸缩陶瓷微位移器位移阶跃响应的上升和下降部分的放大图，其纵坐标为与所测位移相对应的模拟电压信号。
从对压电陶瓷器件性能的分析与实验研究中可以看出，压电陶瓷微位移器具有体积小，结构紧凑，分辨率高、能实现亚微米的微位移，是理想的微位移器件，但也存在迟滞和蠕变等缺点。
针对这一问题，一方面会随着压电陶瓷材料的不断完善而得到解决，另一方面也可以通过在应用中采用适当的控制方式，来满足不同的使用要求，目前主要有如下三种方法:
(1) 基于上述对压电陶瓷的机理分析，采用直接控制电极化强度的方法，在开环状态下，改善压电陶瓷的迟滞、蠕变和位移非线性的不足。
(2) 采用精密小型位移传感器，实现压电陶瓷微位移器的位置闭环，研制机构、驱动、检测一体化的微动机器人是微位移技术领域中的前沿课题，本文的微动机器人PPMR就是采用这种方法实现了纳米级的超精密定位。
(3) 采用工作质量闭环，充分利用压电陶瓷微位移器高频响、高分辨率的优点，以压电陶瓷微位移机构应用背景的工作质量实现闭环，如光纤对接时以光纤对接信号最强、光学调焦系统以成像的清晰度、用电化学方法复制加工三维超微图形时以隧道电流保持恒值实现闭环等等。