现代(S&A)(第四章压电式执行器).ppt

第四章 压电式执行器,4.1 压电执行器的晶体物理基础,1 压电材料的发展1880年Jacques Curie 和 Pierre Curie兄弟发现电气石的压电效应以后，便开始了压电学的历史。1881年，G.Lippman根据热力学原理，借助能量守恒和电量守恒定律，预见到逆压电效应的存在，同年，居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应，并且获得了石英晶体相同的正逆压电常数。石英是压电晶体的代表，它一直被广泛采用至今。利用石英的压电效应可制成振荡器和滤波器等频控元件。在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。除了石英晶体外，罗西盐，ADP，EDP，DKT等压电晶体也各有其长处和用途。第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，自从BaTiO3付诸应用后，压电材料及其应用才开始取得划时代的进展。1947年，美国的罗泊特在BaTiO3陶瓷上加高电压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。随后，美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压电传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究。1955年，美国的贾非等人发现了比BaTiO3的压电性更优越的锆钛酸铅，即PZT压电陶瓷，使压电的应用出现了一个崭新的局面。BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。应用压电材料的SAW滤波器，延迟线和振荡器等SAW器件，70年代末期也已实用化。另外，在70年代初刚引起人们注意的有机聚合物压电材料（PVDF），现在也已基本成熟，并已经达到了生产规模。除常用的PZT、PVF、ZnO外，80年代中还出现了PMN（铌镁酸铅）PZT-Pb、3等复合材料。近年从防止公害考虑，非铅、无铅和低铅系压电陶瓷材料，如KnbO3等将是很有发展前途的材料。为了改进压电陶瓷的微观结构，提高材料的性能，近几年来，许多国家都在积极开展高技术陶瓷及其粉体的研制和生产。高技术陶瓷或精细陶瓷，是继金属和塑料之后的第三代新材料。它是高技术的产物，也是高技术发展中不可缺少的基础材料，已经广泛的用于微电子，新能源以及汽车，海洋，宇航工业和生物工程，机器人等尖端技术领域。另外，压电半导体，例如砷化镓，是一种很有前途的材料，用这种材料可制作集成模拟信号处理器件，信号源和滤波器。,2 几种常用压电材料,迄今已出现的压电材料可分为三大类：一是压电晶体，包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷；三是新型压电材料，包括压电半导体和有机高分子压电材料。1.压电晶体具有压电性的单晶体统称为压电晶体。除天然和人工石英晶体外，还包括锂盐类和铁电单晶如铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）、锗酸锂（LiGeO3）、镓酸锂（LiGaO3）和锗酸铋（Bi12GeO20）等材料。石英晶体是最典型最常用的压电晶体。石英的介电常数和压电系数在常温范围内几乎不虽温度变化，在20 200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016%。石英晶体的突出优点是性能非常稳定性，机械强度高，绝缘性能相当好，绝缘阻抗一般在1012。但石英的压电系数比压电陶瓷低得多，且价格昂贵，因此一般仅用于制作要求较高的传感器，不用于制作执行器。2.压电陶瓷主要包括钛酸钡(BaTiO3)和锆钛酸铅(PbZrTiO3，简写为PZT)压电陶瓷，都需要经过人工极化才具有压电性。PZT比BaTiO3的压电系数大。压电陶瓷的特点是：压电常数大（约为石英晶体的50倍），灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和参杂等人工控制来达到所要求的性能；成型工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。但是压电陶瓷的绝缘性能和机械强度不如石英晶体，所以压电陶瓷多用于做执行器，不做传感器。压电执行器与传统电动、液动执行器相比，具有体积小，分辨率高，响应速度快，不发热，低能耗，无电磁干扰等优点。其应用涉及到精密光学、微型机械、激光通讯、生物遗传工程、超大规模集成电路芯片制造等重要高新技术领域。3.新型压电材料新型压电材料有压电半导体和有机高分子压电材料两种。1968年以来出现了多种压电半导体，如硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、碲化镉(CdTe)、硫化镉（CdS）、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。压电半导体既具有压电性，又具有半导体特性，所以除了一般压电应用外，还可用其半导体特性制作电子器件。有机高分子压电材料的制作也分两种：其一，某些合成高分子聚合物经延展拉伸和电极化处理而成，如PVDF；其二，高分子化合物中参杂PZT和BaTiO3粉末制成薄膜。有机高分子压电材料的独特优点是质轻柔软、抗拉强度高。可做传感器也做执行器。,3 压电效应,一.石英晶体的压电效应1 基于典型应力的压电效应及其表达式 一般所说的压电效应多是指典型（简单）应力与电位移间的关系。图示为正压电应，在应力作用下产生电荷的情形。即机械能转化为电能。反之，如果晶体在外电场激励下，晶体在某个方向将产生变形（应变），电能转化为机械能，这是逆压电效应。,如图所示基本应力与取电荷方向关系图。,如果从典型应力出发，压电效应分为：纵向效应、横向效应、剪切效应等三种效应,(二)基于复合应力的压电效应及其表达式,与上述基于典型、简单应力（主应力与剪应力）的压电效应相对应的是由复杂应力引起的压电效应。如由弯矩、扭矩等复合应力同样引发弯曲效应、扭转效应的功能等等。,1、石英晶体的弯曲效应 使某种切型的石英晶体受到一个弯矩作用，相当在同一截面上同时作用着拉应力与压应力，在该晶体表面上将出现正或负的束缚电荷。反之，当某种电场作用在该切型的石英晶体上时，晶体便产生弯曲变形或弯曲运动，这就是石英晶体的正与逆弯曲效应。逆弯曲效应：在上述正效应的基础上，如在出电荷面被覆上电极（单电极或分割电极）并施加电场，则晶体便产生弯曲变形或弯曲运动。,凡是使晶体棒同时产生拉压应力的驱动电场，均可产生弯曲变形或弯曲运动。如在石英xyt（05）晶体棒的X面上布上如图所示的分割电极并施加电场时，便会产生宽度弯曲变形或弯曲振动。,即使在同一切型上，由于电极布置不同，将产生不同方向的弯曲变形和伸缩变形。应用这种弯曲效应与纵向效应的结合，将电极布置如图所示的形式，并将晶体棒一端固定成悬臂梁，自由端装上笔尖或工具，当在电极上施加不同的驱动电场，便可作成三维执行器，实现如三维微细雕刻等作业。,2、压电体的扭转效应 前面介绍的压电体的纵向、横向、剪切以及弯曲效应，都可以在平面内描述，扭转效应必须在空间上描述。扭转效应是当晶体受到扭转力矩作用时，在晶体表面出现束缚电荷的现象（正压电效应）如当（xzt）即Z00切型晶体棒上受到扭矩M作用时，便在晶体四周产生束缚电荷反之，如果在晶体棒的四个极板上按一定规律施加电场，则晶体棒将发生扭转变形或扭转振动，这是扭转的逆压电效应。,图示为标准切型的石英柱体在扭矩作用下，产生的正负极性相反的电荷分别由贴在矩形平面上的电极（1、3与2、4）经电荷放大器和显示仪表测得。可见，测得的电量与所施加的扭矩之间具有非常好的线性关系，1与3电极具有较高的灵敏度,宏观上外加扭矩与所产生的电荷呈非常好的线性关系。但是，通过解析计算证明，束缚电荷的分布无论是在极化晶体的内部还是表面并非是线性、均匀的。由于压电体内的极化将在空间产生电场，该等效于面束缚电荷和体束缚电荷所产生的电场。等效束缚电荷所产生的电场同样满足麦克斯韦方程组，其电场强度满足矢量的泊松方程。在垂直于X轴的两个晶体表面上（即电极1与3）的面束缚电荷密度不但取决于外加扭矩，而且与坐标Y值呈高偶次指数函数关系。在垂直于Y轴的两个晶体表面上（即电极2与4）的面束缚电荷密度也与坐标X值呈高偶次指数函数关系。所以两个晶体表面上的面束缚电荷密度都呈同性对称分布。图为束缚电荷密度在单位扭矩作用下在XY平面上的分布情况。,由面束缚电荷和体束缚电荷所产生的电场的分布情况如图左所示，即单位扭矩所产生的XY截面上的电场强度分布，箭头的尺寸正比于场强的大小，其方向为场强的方向。右图为XY截面上电场强度E绝对值的三维消隐图。,二.压电陶瓷的压电效应（机理）,压电陶瓷具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构，电畴是分子自发极化形成的区域，在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，内部极化强度为零，见图（a）。所以压电陶瓷材料作执行器之前要进行人工极化。在强极化电场作用下，电畴的极化方向大致按外电场的方向排列，图（b）。去掉极化电场后，压电陶瓷内部仍存在很强的剩余极化强度，图（c）。,压电陶瓷根据极化方式和极化方向的不同，也可具有纵向效应、横向效应以及剪切效应。象石英晶体一样，也可根据不同效应作成不同的传感器和执行器。陶瓷的正压电效应用作传感器，逆压电效应用作执行器。压电陶瓷之所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在无序的自发极化；经人工极化处理后，陶瓷内部具有了有序的剩余极化强度。当外界的作用（如压力或电场的作用）使极化强度改变，陶瓷就表现出正压电效应或逆压电效应。陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动，所以发生在陶瓷中的充电和放电现象，完全是内部极化强度的变化引起电极表面上自由电荷的释放和补充的结果。,4.2压电陶瓷执行器的驱动,随着压电陶瓷位移器类执行器应用的推广，出现了许多专用驱动电源，但驱动方法只有电压驱动和电荷驱动两种。电压驱动是控制压电陶瓷执行器两电极之间的电压为给定值，电荷驱动是控制压电陶瓷执行器极板上的电荷为给定值。电压驱动方法的优点是驱动电路常见，简便易行，动、静态驱动均可以；缺点是输出位移响应或力与输入电压之间存在迟滞非线性关系。电荷驱动的最大优点是能在很大程度上减小压电执行器的迟滞特性，缺点是驱动电路复杂，只适用于动态或准静态驱动。,2.1、压电陶瓷的电压驱动,电压驱动是通过向压电执行器施加电压而改变压电内部的电场强度，并且认为内部总电场强度近似等于外加电场强度。需要压电执行器产生静态位移或静态力时，要求直流电压进行静态驱动；需要压电执行器产生动态位移时，要求交流电压进行动态驱动。电压驱动电源应具有如下特点：为保证执行器输出位移的精度，驱动电源稳压性能要好，输出纹波电压控制在很小范围内，负载调整率要极小。为满足连续位移输出的要求，驱动电源的输出电压应连续可调，调节范围如0150V，120V120V，0300V。压电陶瓷位移器输出位移响应的快慢，主要取决于驱动电源驱动电流的大小，驱动电源应具备输出大电流的能力，较大的输出电流同时也保证了驱动电源具有较宽的频带。需要实现位移自动控制时，驱动电源应采用计算机控制。,1、以w317为核心的可调高压直流电源经常需要驱动电压幅度在较宽范围内可调节，低耐压的集成器件w317实现高压、连续可调的压电执行器的驱动电源电路，如图所示。,一.高压直流电压源,2、开关电源电源实例见图。所谓开关电源就是其调整元件工作在开关状态，通过控制调整元件的通断来控制压电陶瓷的充放电，从而达到稳压目的。图中，VMOS A和B是开关管；D/A转换器提供驱动电源05V输入电压，驱动电源的放大倍数一定，所以输入电压值的不同将引起电源输出电压的变化；R2、R3和R4组成采样环节，LM324构成比较放大环节，稳压过程是一个闭环电压负反馈自动调节过程，无论电网电压波动或者负载电流波动，输出电压都通过自动调节稳定在给定值上。,3、采用高压运放的桥式驱动电路高压运算放大器，如PA41和3583，共同特点是高电压操作、高输出电流。PA41的电源范围为50V175V，输出电流60mA；3583的电源范围为50V150V，输出电流75mA。高压运算放大器可用于压电变换驱动器、可编程电压源和高压电流源等。图示电路可实现峰-峰660V压电驱动，若只要求驱动范围为峰-峰300V，则可以只取一半电路。,二.高压交流电压源,将压电陶瓷执行器用于驱动微小移动机构、振动送料器或振动主动控制时，要求驱动电源为高压、有一定带宽的正弦、方波或三角波电源。设计时，除了要设计电压放大电路和功率放大器所需要的稳定高压直流电源外，还要兼顾驱动功率要求和频率响应带宽要求。,1、采用高压运放的桥式驱动电路驱动电路见图，D/A转换器产生所要求的05V或010V正弦、方波或三角波信号，按照所要求的电压幅度设计运算放大器的放大倍数。若运算放大器的电源为Vs，输出电压范围在(Vs10)。高压运算放大器3583的功率带宽约60KHz，实际使用时，当信号频率高于10KHz时，驱动压电执行器的输出电压下降严重。,2、D/A输出+功率放大器 驱动压电执行器所要求的正弦、方波或三角波信号由D/A转换器产生，功率放大器可选用商品成品，如KROHN-HITE 7500、7600；原理如图所示。NPN型功率管T1、T2组成复合管；单向正信号由“输入”端输入；压电陶瓷接在“输出”端和地之间；正电源E为高压直流电源，具体大小视执行器电压范围而定；电阻R为限流电阻。对于双向信号的功率放大可采用推挽式，增加PNP型功率管；也可以先将双向信号分成两个单向信号，然后采用如图的两个相同的功率放大电路。,3、信号发生器+功率放大器利用ICL8038压控函数发生器作为信号发生电路，ICL8038的主要特点是：同时有三种波形输出：正弦波、三角波、方波；工作频率范围：0.001Hz到500kHz；失真度低：约1；足够低的频率温漂：最大值为50ppm/；使用简单，外接元件少。图示是方波信号发生原理图，由+15V单电源供电，输出信号与CMOS集成电路兼容。ICL8038的缺点是输出信号幅度和功率都不够高，要驱动压电执行器必须再加功率放大环节。,2.2 压电陶瓷的电荷驱动,压电材料属铁电材料，应用中不可回避的问题是驱动电压（电场）与位移响应之间存在迟滞非线性，而且电压越高迟滞越明显。迟滞原因有两方面：第一，压电材料的形变与内部总电场成正比，实际计算时，总因难以计算束缚电荷引起的束缚电场而将其忽略，认为内部总电场近似等于外电场。这是根本原因。第二，PZT 内部极化的变化导致形变发生，这种过程必然伴随压电电容的改变，与此同时驱动电压不变，所以PZT上的电荷已不对应给定值。电荷驱动是使PZT的伸长量是作用其上的电荷的函数而不是电压的函数。电荷驱动可以很大程度上减小迟滞。具体实现方式又有电荷驱动和电流驱动两种，电流是电荷对时间的导数，电流驱动和电荷驱动是同一机理。对于电荷/电流驱动，可操作的输入控制信号都是电压，电荷/电流驱动与电压驱动的区别在于实际加到压电体上的电学量是期望的电荷/电流，还是期望的电压。,1、电流驱动利用高阻抗电流源可实现PZT的电荷驱动：在一段时间内的恒流可获得稳定的伸长率；电流置零后，伸长被保持；相同时间内施加反向的电流，变形回复。要求电流驱动下的压电陶瓷绝缘阻抗要相当高，保证漏电流极小，电流置零后才能将变形量保持几分钟甚至几小时。Newcomb早在1982年就用LM324和其它分立元件设计出电流驱动电路，杨宜民等研制的压电式直线和旋转驱动器都是采用恒流源驱动。对电流源的要求是精度高、额定电压高。电荷由电流大小和历经时间决定，电流驱动的难点是电荷与时间的配合问题。,3、电荷驱动John给出了详细的电荷驱动电路，包括电荷反馈方式的运算放大器、功率放大部分和初始化电路三部分，简化原理见图。,经分析，Qp=CcUin，这样以电压Uin控制了实际加于压电执行器上的电荷Qp。该电路只能应用于静态或准晶态，不能用于静态位移驱动，因直流电压下运算放大器没有直流反馈通路。另外，定期除去电荷偏置为防止执行器漂移。,2.3 压电陶瓷的电荷控制,“电荷控制”是驱动方法和控制方法的交叉概念，采用电荷控制的目的是减小压电迟滞。电荷控制有两方面含义：1、以电压控制实际加在压电执行器上的电荷，与“电荷驱动”混用；2、采用电压驱动，但以电荷为闭环控制系统的反馈量，因为压电电荷与位移呈现性关系。,1.用串联电容获取压电执行器的电荷,电荷控制电路的基本出发点是用一线性定常电容Cc与等效为电容Cp压电陶瓷串联，如图(a)所示。施加电压U，两个串联电容的电荷相等，即Qp=Qc=CcUc，此时Uc正比于Qp，即正比于压电位移。压电陶瓷的漏电阻一般在G级，当由于环境湿度加大而严重减小时，Rp引起的漏电流不容忽视，必须引入平衡电阻Rc以补偿漏电流，见图(b)，要求RpCp=RcC,木村誠采用图a的办法，将正比于电荷的电压Uc作反馈量，制成小夹钳微力(040mN)控制系统。基于图（a）的一个完整的电荷控制原理见图,2.采用电流积分器获取压电执行器电荷,能获取压电执行器电荷，不影响执行器驱动电压。文献12采用电流积分器与电压驱动电路结合，在对压电体进行驱动的同时，测量压电体上的电荷，积分器不影响驱动电压大小。电路原理图见图,3.电荷控制应用,1)开环测量压电陶瓷迟滞回线因压电电荷与位移成正比，积分器的输出一定程度上可以当作传感器。测试无外载荷作用下P51型压电陶瓷双晶片执行器的迟滞曲线。压电片长宽厚50mm5mm0.4mm,中间铜电极厚0.03mm。为校验电荷位移关系，增加了电涡流计作为标准位移传感器。向压电双晶片施加三个周期幅度衰减的正弦电压，一方面采样积分器的输出电压UQ，换算成电荷；另一方面记录电涡流计的输出。,电压Uc、电荷Q和涡流位移计输出曲线见图由图可见，积分器和涡流计各自独立获得的执行器尖端位移曲线一致性较好,2)闭环反馈控制补偿压电迟滞非线性,若采用闭环位移反馈，测位移要用电涡流计、电容传感器等。尝试用积分器输出电荷做反馈量，代替位移传感器，实现电荷控制。采用位置式PID控制器，控制原理如图。图中高压运放、PZT和积分器对应图的相应部分，计算机采样积分器的输出量uQ，与给定w进行比较。,经过实际调试，当P=0.3，I=0.0015，D=1.2，升回程给定随着时间做线性变化时，执行器的位移输出跟踪基本为线性，迟滞非线性有所改善，见图。这里采用PID算法，因为此算法比较成熟，简单易行，也可以采用其它控制算法。,4.3压电叠堆执行器原理与设计,压电单片型执行器变位小，在许多应用场合不能满足要求。例如：在需要较大控制位移时，单片压电材料的微位移量有限，需要用多片压电材料级联，作成压电叠堆；为了增加执行器的灵敏度或改变谐振频率，也需要作成压电叠堆。构成叠堆后，执行器的特性将发生较大变化。研究压电叠堆的特性及振动规律，是设计与应用压电叠堆执行器的基础。,3.1 压电叠堆结构与特点,1压电叠堆的结构将压电陶瓷片与金属薄板粘接交替重叠，而构成的压电叠堆,压电材料层厚110m，层间使用银、石墨合金作为内电极交替叠合而构成压电叠堆，其制造方法与陶瓷电容制造方法性同。压电叠堆侧面露出全部内电极，并将每隔一层的内电极形成玻璃绝缘膜，再装上外电极。这种压电叠堆，体积小、驱动电压低，可以批量生产，适宜在微位移控制、高发生力源和驱动力源等场合使用。,2位移特性 压电执行器多数利用器厚度方向变形，进行能量转换。由压电方程可得：3=S33F3+d33U3 式中，3为厚度方向微位移；S33为弹性柔顺系数；F3为厚度方向拉力；d33为纵向压电应变常数；U3为厚度方向施加电压。一般较小，单片压电陶瓷的位移量很小。用n片并联后，总位移X为：X3=n3,3.2 压电叠堆的振动规律,对压电叠堆振动特性的分析，可以通过对这个系统所建立起来的微分方程式求解分析，同时还可以利用等效网络的方法进行分析，这两种方法是相辅相成的。等效网络可以根据方程式画出，亦可以根据实际系统画出相应的网络，然后利用这个网络分析。最终求得压电叠堆的谐振频率，并根据谐振频率求得压电叠堆允许的工作频率范围。,1.压电晶体振动的等效机电网络 压电晶体 晶体厚度振动的机电等效网络,2.压电叠堆的等效机电网络,n片晶片级联的等效电路,压电叠堆等效网络,3.压电叠堆的谐振频率计算举例,用直径为20、t=1的PZT5型压电陶瓷晶片34片级联后构成压电叠堆，叠堆结构如图所示。这个压电叠堆的谐振频率的计算值为：这个压电叠堆实际测得的谐振频率为22kHz，因此用式计算的压电叠堆频率，还应进行适当的修正。,4.4 小型高频压电激振器的设计实例,1 结构设计压电高频激振器是一种输入正弦激振力的压电叠堆执行器，可以用来测量压电式测力传感器与测力仪的频率特性。YDJ型压电激振器的外观如左图所示，其结构如右图所示。,2 谐振频率计算图中，压电叠堆两端带有质量负载，假设质量块的刚性为无穷大，压电陶瓷质量忽略不计，则带质量负载的压电叠堆的结构示意图如左图所示，其几种参数等效电路如右图所示。,激振力端的谐振频率：=c(Mm/(M+m)-1/2,3特性测试通过上述分析，带质量负载压电叠堆输出激振力端的谐振频率的计算公式，是在一定假设条件下得到的近似，主要用于估算谐振频率，这种值与实测的谐振频率存在一定误差，通常采用在估算的基础上通过实验的方法实测其谐振频率。YDJII小型高频压电激振器的特性经过了实验检定，其静态位移电压特性实测的满量程线性度0.6%。,YDJII小型高频压电激振器的技术参数静态位移非线性：6%频率范围：1kHZ20 kHz激振力F：Fmin10gf 失真度：dF5%重量：0.35kgf,4.5 压电双晶执行器原理与设计,1 基本结构与原理机构如图所示，由两个粘接在一起的薄的压电晶体长条组成。两条压电晶体长度一端由夹持块固定，形成悬臂梁结构。由于两个长条压电晶体的极化方向相反，因此，当在其外表面的电极之间加上电压时，利用压电晶体的横向压电效应，上面长条在长度方向伸长，而下面长条在长度方向缩短。这种不同的应变使悬臂梁弯曲，并使自由端移动一段距离Z,两压电晶片之间夹一层金属板，使可以增加压电双晶片的坚固性。因而得到一个三叠层结构，这样的三叠层元件，通常也称为压电双晶片，如图所示。在许多应用场合，中间金属条可延伸到压电晶体条的外面，这样就便于支撑。,双晶压电执行器的另一种形式是用一块压电材料制成的“压电多叠片”，在中间的些孔中涂上银，作为极化电极，该电极只用于极化压电元件。压电多叠层片与压电双叠片都以同样的方式工作。由于多叠层之间无需粘接，制作简单，工作稳定,2 压电双晶元件的支撑 压电双晶元件的支撑有多种方法。图中（a）为悬臂支撑，可产生最大的挠曲和柔顺系数。图中（b）为两端顶住（即位置固定），但可自由旋转的支撑方法，可以得到较小的位移，但该结构的柔顺系数较低，因而能承受或施加较大的力。图中（c）为刚性夹持，这种结构一般是不使用的，因为它将导致全电极元件的机电藕荷极低。图中（d）为波节支撑，支撑在双晶片振动的波节上，这种支撑结构很轻便、结实，而且装置的损耗也降到最低程度。,3 静态和动态特性 压电双晶元件在静态和允许的工作频率范围内应用时，我们需要知道双晶片的挠曲Z，外加电压V和产生的力F之间的关系。对于图所示的悬臂梁式双晶元的挠曲可以表达为 z=Al2F+Bl2V/h 式中，A和B为常数，它除了与压电和弹性性质有关外，还与截面面积有关。,许多应用中，所关心的主要问题是在确定的电压在下，挠曲所产生的力。由图可知，悬臂压电叠条产生的有效力很小,双压电膜片的支撑方式，就能增加有效力，但挠曲变小。在图中，双压电膜片是将一个沿边缘支撑的薄铜膜片的两面分别与一个薄的PZT元件粘接,4 谐振特性悬臂压电叠条的谐振频率很低，便于在很多低频场合应用。图给出了PZT5（h=0.67，=1.6）悬臂压电多叠片元件的基频fs0与其自由长度L的函数关系曲线。对于压电叠条的许多非谐振应用，这一频率可以处在仪器工作频率范围之中或附近。在这样，谐振被机械阻尼所抑制。了解谐振区的特性，对谐振或非谐振执行器来说都是重要的。,压电叠条元件的基频取决于长度l和厚度h、材料性能及元件的支撑方法。除非元件的宽度大于l/2，否则，宽度的影响较小。但当宽度大于l/2时，元件就会出现横向耦合，从而改变了频率特性和纵向的谐率基频。在短路状态下，PZT压电条（lw）的谐振频率为的取值与压电晶片的支撑方式有关,4.6 压电式直线振动给料器的设计实例,线振动给料器是一种压电双晶执行器,主要用来连续直线传送轻小的物体。1结构设计 直线性压电振动给料器的结构如图所示。在图中，压电振动体由两片PZT51型压电陶瓷片和基片粘接构成压电双晶片,压电振动体分别与弹簧片1、2的一端固接，弹簧片1、2的另一端分别与传送体和底座相联接。当压电振动体接入一定频率的正弦电压后，压电振动体将按正弦规律产生弯变形，并通过弹簧片1、2驱动传送体直线振动。弹簧片1、2的作用是使压电振动体的振动幅放大，因此弹簧片1、2又称振幅放大器,2 实验结果与分析 在正交实验中，实验对象的结构如图所示，图中，固定弹簧片中左端的三个圆形通孔，用来更换固定端弹簧片的固定位置，第四个孔用来固定压电振动体的左端。负载弹簧片中右端的三个圆形通孔，用来更换负载的固定位置，第四个孔用来固定压电振动体的右端。振动试验的安装位置分为位置1，位置2，位置3三种，由试验对象的结构保证各位置总长度为l不得不变。,为了准确测振幅，将试验对象垂直固定，如图所示。压电振动体按粘接的压电陶瓷厚度不同做成3种，这三种压电振动体中的压电陶瓷片选用PZT51型压电陶瓷片，尺寸为39*15*h(h为0.5mm、0.7mm、1.0mm),压电振动执行器是一种微位移执行器，为了提高控制精度，要求高品质的控制电路来驱动压电微位移执行器，因此压电控制电路技术，已成为压电执行器的关键技术之一。,4.7压电振动执行器控制电路设计实例,1 控制电路的特点压电微位移发生原理、结构形式决定了压电振动的控制电路应具备以下特点：（1）用于振动激励场合的压电叠堆执行器、压电双堆执行器等，其激励振幅度，激励频率，往往需要调节，要求控制电路具有幅值及频率连续可调的特性。（2）压电振动执行器位移输出对外加控制电压的影响速度，主要取决于控制电路驱动电流的大小，控制电路应有足够的驱动能力。（3）压电元件的输出位移是微米/纳米级，控制电路应具备良好的稳定性和精度，其波形失真度要小。（4）为了实现振动幅值及频率的自动控制，控制电路应采用计算机控制。,2 自动控制电路组成及工作原理 压电振动执行器的自动控制电路方案有多种形式，现以研制的一种压电振动执行器自动控制电路为例，介绍自动控制电路的组成及工作原理，压电振动执行器的自动控制电路系统原理框图如图所示。它主要由80C51单片微机、接口电路、缓冲电路、隔离驱动电路、高压电源电路、功率放大电路、保护电路、传感与采样电路、键盘与数显电路组成。压电振动执行器的工作振动频率与振动振幅，是通过键盘输入，80C51单片机根据输入的工作参数，经过相应的运算处理，通过D/A转换，输出正弦压信号，再经过缓冲电路，光电隔离，低压功放，高压功放驱动压电振动执行器，执行器的振动频率为设定的工作频率。为了提高压电振动执行器的振幅精度，设置了反馈电路，即激振信号经过传感器拾取、中间转换、A/D转换后，送至80c51进行处理，自动调节压电振动执行器的振幅，使之达到要求。,4.8压电执行器的应用,1 校准用压电高频振动台 校准用压电高频振动台，应用于机械振动与冲击过程的测量。可以对加电加速度计进行频率响应的绝对法校准实验，并可以获得准确的谐振峰值。由于此振动台在高频段可以提供较大的加速度值，可将此正弦振动输入给加速度计，通过其输出值与在冲击测量时该加速度计所受到的脉冲形式的加速值进行比较。,1.高频振动台的结构与工作原理高频振动台由机座、压电叠堆和台面组成，其结构如图所示。图中压电叠堆为驱动元件，压电叠堆是多片压电陶瓷片级联构成，压电陶瓷片的材料为PZT8、陶瓷片为圆片中孔薄片。台面材料为轻质的钛合金TA2，这使台面有足够大的运动振幅和较高的谐振频率。基座材料为比重和刚度都较大的硬质合金（钨钴15）。台面的重量为基座重量的1/15。,这样的结构形式，在压电叠堆上施加高频正高压电后，由压电叠堆的形变，使台面与基座之间作用一个交变力，结果使台面与基座的运动与它们的质量成反比。压电叠堆的工作原理与设计与4.3节所述相同。,2.高频振动台的频率特性 图为高频振动台的幅频特性曲线，由特性曲线可以看出，在2KHZ50KHZ频段内，有25HZ和35HZ两个谐振峰，其余频段均为稳定振幅，可以进行校准使用。,2 压电双晶执行器在光电开关中的应用 采用LiNbO 压电双晶片执行器做成的光电开关的结构如图所示。该图（a）中，当要求损耗低于1.5dB时,晶片因外加阶跃电压产生的振动必须在10ms内衰减到4 m以下，故在LiNbO 晶片的两侧面处装有制动器，并用软环氧树脂在晶片的表面上粘结轻的负载，该阻尼由于晶片碰到制动器产生的二次谐振。,两种LiNbO 压电双晶片执行器的电压位移特性曲线。这两种执行器的实测位移值与计算值吻合，没有滞后现象。这种执行器驱动的光开关比普通反射镜光开关具有更短的开关时间和低损耗特点,3 压电叠堆执行器在显微镜自聚焦中的应用 压电叠堆执行器的结构如图所示。压电叠堆是由PMN型压电陶瓷片级联构成，陶瓷片是 5mm*0.33mm的园片，每一圆片的两面浅射金电极作为内电极。然后，采用叠层技术把30片陶瓷片叠成叠层体，不同极性的内电极分别联接到两个外电极上。执行器用不锈钢外壳封装，以改进稳定性和持久性。球面顶部是阻止产生不需要的弯曲应变。,压电叠堆执行器由0500v电压驱动，其电压位移特性如图所示。最大位移和位移的最大滞后量分别为50 m和5.2%。这种执行器的应变在100v（0.3kv/mm）下约为1.110-4 mm，在500V（1.5kv/mm）约为5.010-4mm。,压电叠堆执行器控制工作台的结构如图所示。通过驱动两个执行彼此相对运动，使工作台相对于外加电压产生近似线性运动。位移的最大行程和最大滞后量分别为18.4 m和3.5%。,执行器驱动光学显微镜自聚焦系统的框图如图所示。显微镜装在执行器控制的工作台上。而执行器控制的工作台是固定在行程为50mm的步进电机的控制的工作台上。显微镜先后由两种工作台移动，它们的步进宽度分别为1 m和0.5 m。图中的控制器是一台专用计算机，聚焦程序和各种参数都编为计算机程序。采用执行器控制工作台自聚焦系统定位的标准偏离=0.035 m，而用步进电机获得的=0.5 m。这表明前者比后者改进的定位精度约一个数量级。,4 在摆动式CCD图象摄取中压电双晶执行器的应用 摆动式CCD图像摄取器的结构如图所示。它是由并联驱动的两个压电执行器，装载CCD片的陶瓷基板，传输电信号的弹性印刷电路板和陶瓷框架构成。,压电执行器采用两端支撑的双晶片型结构。如图所示，它是在双晶片与固定件之间附加一个由金属薄板制成的U型弯曲元件，由于双晶片弯曲引起的端部旋转被U型元件吸收，所以，可获得4倍于一般型的位移量。双晶片压电陶瓷的板厚为100 m，宽度为5mm，长度为23mm。中间的金属镍板厚50 m，宽5mm。,5 压电叠堆执行器在VTR磁头上的应用 一般的磁带录像机的磁头驱动元件是使用压电双晶片,但由于它有残留应力,会发生漂移或潜伸等问题,会产生图象条纹噪声.采用压电叠堆执行器进行动态的磁带录像机,解决了图象条纹噪声问题.这种执行器的结构如图示,它主要由叠层压电元件、位移扩大机构和设置磁头的压曲弹簧三部分构成。位移扩大机构的作用是放大执行器产生的微小位移量，叠层元件是由数百枚100 m以下的陶瓷片形成的超薄层结构。当施加电压时，元件长度方向伸长，通过位移扩大机构放大，并从两侧压缩压曲弹簧，从而进一步扩大了位移量，从而使设置在压缩弹簧中央的磁头向上垂直位移。该执行器具有驱动电压低、小型高效和位移特性稳定等优点。,1.在SCI、EI刊源上查找到一篇与传感器/执行器相关的外文论文，并进行翻译。（要求一定是外国人做的，或中国人在外国做的）将中英文章都打印出来2.谈一下上这门课的感受，将自己导师或者课题组做的与传感器/执行器相关的部分简要介绍一下。以上两项内容请用研究生院的作业封面打印，一起上交，作为给定成绩的依据。3.请找到一个关于传感器/执行器原理的图片、视频。将以上三项内容压缩成一个文件后，发电子邮件到，在主题里写上你的学号和姓名作业要求在12月25日之前上交截止，打印的作业交到机械学院东侧楼216-1房间，并进行登记签名。,