叠堆型压电陶瓷结构
叠堆型压电陶瓷驱动器的耦合模态分析
叠堆型压电陶瓷驱动器的耦合模态分析沈晓晨;王志军【摘要】为了研究压电陶瓷驱动器的驱动性能,分析了以PZT-5H为驱动元件的叠堆型驱动器,采用简化的等效器件建立了电学模型.基于压电陶瓷材料的机电耦合特性运用ANSYS有限元分析软件对叠堆型驱动器进行了计算分析,得出输入电压与输出位移呈近似线性关系.通过控制压电陶瓷两端电压来控制其位移.仿真结果验证了此方案的有效性和可行性.该驱动器在自适应弹药上具有潜在的应用价值,可为弹头的偏转驱动装置设计提供参考.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2011(031)001【总页数】3页(P116-118)【关键词】叠堆型压电陶瓷;驱动器;模态分析;耦合【作者】沈晓晨;王志军【作者单位】中北大学机电工程学院,太原,030051;中北大学机电工程学院,太原,030051【正文语种】中文【中图分类】TJ410.370 引言提高弹药命中精度是现代战争面临的重要难题,目前各国研制了很多自适应弹药如身管发射自适应弹药、增程自适应弹药、脉冲控制的自适应弹丸[1]等,这些技术大大提高了弹药的性能。
作为自适应控制系统必不可少的一部分,智能材料如光导纤维、形状记忆合金、压电高分子材料、压电陶瓷等都起着至关重要的作用。
因此文中针对智能材料自适应技术提出了一种新型的压电驱动结构,并进行了数值计算,为自适应弹药设计提供参考。
1 叠堆型压电驱动器工作原理压电驱动器利用压电陶瓷的逆压电效应,在电场的作用下产生形变,输出位移或在有负载的情况下,输出动力做功。
压电陶瓷驱动器是一种高精度的微型驱动元件,常见的结构主要有叠堆型、薄板型、管型和双晶片型[2]等,叠堆型压电陶瓷可以承受很大的压力,并且可以产生较大的输出位移,是构成压电微位移驱动器的核心元件。
当压电晶体上加一定的电压时,晶体不但产生极化,还产生应变和应力,当外电场不是很强时,应变S与外电场E呈正比关系:式中:S为应变;E为电场强度;d ij为压电应变常数;i和j分别为电场和应变方向。
压电陶瓷PZT型号
－50 V～+200V
■
pst 150 系列 0V～+150V 的电压与位移曲线
■
pst 150 系列－30 V～+150V 的电压与位移曲线
Pst-HD 200 系列 0V～+150V 的电压与位移曲线 Pst-HD 200 系列－30 V～+150 的电压与位移曲线
50
7200
144
14×14/60
60
7200
120
压电陶瓷选型方法请参考前章资料/驱动电源选型请参考后章资料
压电 陶瓷 位移 伸缩 方向
压电陶瓷 响应频率 f 0 [kHz]
90 70 50 45 55 50 25 10 5 4 3 25 10 5 4 2.5 10 3 2 1 0.8 3 3 1 0.5 0.4 0.3 0.2
工作原理 该产品是由两片相同的沿厚度方向极化的压电陶瓷片粘接而成，将致动器一端固定，构成悬臂梁结构，沿 Z 方向
施加电场，压电陶瓷双晶片一片收缩，另一片伸长，变形方向可以通过改变正负极连线来控制，压电陶瓷片非固定端便 可以发生弯曲变形。
具体用途 低负载(一般从几克到几十克)、大位移（可达几 mm）如：选针器、盲人阅读器、压电泵、电子锁、摄像机快门、
静电容量 ［nF］
80 335 320 47 46 74 84 204 38 10 44
工作动态图
外形尺寸图
电气接线图
备注: 除上述规格外，我公司也可以根据客户要求定制
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名称：光纤拉伸-压电陶瓷
环形压电陶瓷的特点 多层共烧一体 轴向响应频率大 d31 和 d33 可靠运行 在力传感器/发电机中的广泛应用 小的驱动电压到 50 V 可以驱动非常高负荷 温度范围：－273°C ～ + 130°C 表面绝缘：镀银电极，表面无涂层
压电陶瓷系列
宽W[mm]
7.8 7.8 7.8 7.8 7.8 7.8 7.8 7.8 7.8
高H[mm]
0.7 1.25 1.8 0.7 1.25 1.8 0.7 1.25 1.8
+100V
-100V
Vin +/- 100V
5.2
120
22
4500
7000
HPSt 150/20-15/12
20×15
13.5
16/12
5
450
75
8000
11000
HPSt 150/20-15/25
20×15
27
32/25
10
230
22
8000
11000
HPSt 150/20-15/40
20×15
40.5
50/40
15
150
15
8000
11000
最大负载 [N]
300 300 300 800 800 2000 2000 4000 4000 8000 8000 16000
环形叠堆压电陶瓷
特点
多种外径尺寸可供选择 亚纳米的分辨率 亚毫秒的响应时间 最大外径：20mm
应用
光学 光学调整 精密机械
成像 精密定位 聚焦显微
技术参数
型号 HPSt 150/14-10/12
延长使用寿命。
* 以上陶瓷内外径尺寸不包含树脂层厚度，内外径树脂厚度均为0.5±0.05mm。更多型号可与销售工程师联系。
叠堆压电陶瓷片 方形压电陶瓷片
Type A01
Type A02
技术参数
型号
长L[mm]
温度大范围变化下叠堆式压电陶瓷输出特性测试方法与制作流程
本技术温度大范围变化下叠堆式压电陶瓷输出特性测试方法属于基于压电陶瓷作动器的风洞模型振动主动控制领域，涉及一种在温度大范围变化情况下，叠堆式压电陶瓷作动器的输出特性的测试方法。
该方法利用测试机构安装光纤位移传感器，压力传感器与叠堆式压电陶瓷作动器构成整个试验测试装置，再将测试装置与测控系统、电脑相连接组成整个测试系统。
利用测试装置对堆叠式压电陶瓷作动器施以一定的预紧力，通过压力传感器获得数据，通过位移传感器与压电陶瓷本身的输出应变进行对比，以获取其压力和位移等信息，将测试装置放入高低温环境试验箱，完成在大范围温度变化条件下对压电陶瓷作动器的输出特性的测试。
测试方法准确，方便，可行性高。
技术要求1.一种温度大范围变化下叠堆式压电陶瓷输出特性测试方法，该方法在测试试验机构上安装光纤位移传感器、叠堆式压电陶瓷作动器和压力传感器构成整个试验装置，再将测试装置与测控系统、电脑相连接组成整个实验系统；利用试验装置对堆叠式压电陶瓷作动器施以一定的预紧力，通过压力传感器获得数据，再通过光纤位移传感器连接到电脑与压电陶瓷本身的输出应变进行对比以获取其压力和位移等信息；将试验装置放入高低温环境试验箱，即可完成在大范围温度变化条件下对压电陶瓷作动器的输出特性的测试，该方法的具体步骤如下：第一步：在测试试验机构上安装光纤位移传感器、叠堆式压电陶瓷作动器和压力传感器构成整个试验装置测试试验机构由基座(5)、U型板(2)、垫片(3)和T形底座(10)构成，所述基座(5)由圆形底盘(51)和L型支架(52)组成，其中，L型支架(52)由半弧形结构(521)和凸出半圆环形结构(522)构成，基座(5)的圆形底盘(51)上加工有若干均布的螺纹孔，用于连接压力传感器(6)；先将T形底座(10)安装到压力传感器(6)的中心孔中，再将基座(5)穿过T形底座(10)安装到压力传感器(6)上；把叠堆式压电陶瓷作动器(4)贴合L型支架(5)的半弧形结构(521)安装到T形底座(10)上面；再将垫片(3)安装到叠堆式压电陶瓷作动器(4)的顶部，垫片(3)下端具有圆形凹槽(32)，凹槽尺寸为压电陶瓷的直径，垫片(3)上端为凸圆球面(31)；U型板(2)放置在垫片(3)上，U型板(2)上加工有通孔，螺栓通过通孔将U型板(2)和L型支架(52)连接起来，对叠堆式压电陶瓷作动器(4)施加预紧力；再将光纤位移传感器(1)安装到凸出半圆环形结构(522)的圆孔中，用U型板(2)定位夹紧；最后，用螺栓将基座(5)的圆形底盘(51)固定安装到压力传感器(6)上构成整个实验测试装置；然后将实验测试装置与测控系统(7)相连接，再与电脑(8)连接起来，整个实验测试系统安装完毕；第二步：根据实验的设计要求调节安装在U型板(2)和基座(5)的L型支架(52)螺栓，使其压力值达到预想预紧力；第三步：将整个试验装置放入到高低温环境箱(9)内，制造温度变化环境；然后操作整个测控系统(7)进行预先设计的实验，得到输出数据，包括光纤位移传感器(1)测量的位移值；压力传感器(6)测量的压力值；通过粘贴在叠堆式压电陶瓷作动器(4)表面的应变片获取其应变值以及高低温环境试验箱(9)测量的温度值；第四步：通过电脑(8)进行数据采集，信号调理，以及数据处理得出叠堆式压电陶瓷(4)的输出位移值以及其所受的压力值和叠堆式压电陶瓷(4)的上的应变片测得的应变值；综上通过整个测试系统得出实验数据，并进行相应的记录和保存；通过实验及以下公式得到相应的数据，位移传感器的模拟输出为0-5v电压,根据公式(1)得到其输出位移值：其中，ΔL表示位移传感器的位移值，S为灵敏度，由位移传感器的供销商提供的校准曲线给出了近端和远端线性范围内的灵敏度值得出，ΔU由实验得出，经过数据处理得到最终的电压变化；叠堆式压电陶瓷的位移值由公式(2)给出：ΔL＝ε×L (2)其中，ΔL表示叠堆式压电陶瓷的位移值，ε代表叠堆式压电陶瓷的轴向相对变形，L为压电陶瓷的长度；根据上述两个公式求得的位移值ΔL，取两者均值作为实验最终数据结果，对于大范围变化的温度环境，可直接由高低温环境箱的示数获得。
多层叠堆压电陶瓷
多层叠堆压电陶瓷
叠堆型压电陶瓷又被称为压电致动器、压电执行器、压电促动器等。
叠堆型压电陶瓷是将压电陶瓷基片，通过叠层粘结共烧工艺形成的（单层压电陶瓷基片的厚度为100μm 左右），这种工艺制备的压电陶瓷可以承受很大的压力，刚度大，但所承受的拉力有限。
叠堆型压电陶瓷包括大量的陶瓷薄片。
其结构特点是供电电极被设计在陶瓷薄片的两侧，陶瓷整个截面积均可参加致动，出力很大，性能可以完好展现，而且不存在局部电场变形，不易出现点应力。
压电叠堆陶瓷的工业化应用
压电叠堆陶瓷的工业化应用|光纤拉伸|F-P腔调谐|压电点胶阀|焊线机压电叠堆陶瓷内部是由压电陶瓷层及电极层交叉叠加构成的，压电陶瓷层的厚度一般为几十微米，而电极层的厚度是更薄的，因此对于加工生产的工艺要求是非常高的，成本也是较高的。
压电叠堆陶瓷是相对于单层压电陶瓷（根据应用不同，也会叫做超声陶瓷）而言的，单层陶瓷内部没有电极层，完全是由PZT压电陶瓷材料组成，烧结后在上下表面或内外壁印刷上电极，极化后就成为可使用的压电陶瓷。
单层压电陶瓷的成本是非常低的，批量后甚至可以达到几毛钱。
压电叠堆陶瓷的成本高，且工艺要求也高，而单层压电陶瓷的价格也是更低的，压电叠堆陶瓷何以存在呢？单层压电陶瓷成本是很有竞争力的，并且它的谐振频率点非常高，可以达到兆赫兹级，并且在谐振频率点上单层压电陶瓷振动的幅度和输出能力是极大的，这是单层压电陶瓷的优点，但它的缺点是在非谐振频率下使用时驱动电压高、产生的位移量非常小。
对于一般单层压电陶瓷，1mm厚对应的驱动电压为1000V（即1000V/mm，不同材料会略不同），并且在1000V下至多产生的位移量为1微米（通常情况会低于1微米），这对于静态精密操作，非常不适用；单层压电陶瓷的谐振频率点非常高，但在装入设备后，它的谐振频率将变小，具体大小取决于装配的方式及所加预紧力等。
压电叠堆陶瓷与单层压电陶瓷的性能具有很大差别。
压电叠堆陶瓷由于内部压电陶瓷层与电极层的交叉结构，且压电陶瓷层仅几十微米厚，所需的驱动电压较低，约几十伏至200V左右，同时在这么低的电压驱动下就可达到更大的位移，例如芯明天PST150/5*5/20压电叠堆陶瓷，高度为18mm的压电叠堆陶瓷，可产生的位移量可达28微米。
压电叠堆陶瓷在小幅值下也可以进行动态使用，并且它产生的位移量与施加的驱动电压基本成线性关系，可通过驱动电压的大小及频率来控制压电叠堆陶瓷的伸长位移量及伸长、回缩的频率。
压电叠堆陶瓷与单层压电陶瓷的形状类似，有方片状、环片状、长方体、管状等形状。