新型压电陶瓷驱动器的特性分析

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新型压电陶瓷驱动器的特性分析王社良

压电陶瓷驱动器的力输出特性

收稿日期:２０１７－０６－１５基金项目:国家自然科学基金项目(５１３７５３１７) ꎻ辽宁省自然科学基金项目(２０１５０２０１４９) ꎻ沈阳市科技计划项目( Ｆ１６－２０５－１－１５) ꎻ高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室开放基金项目( ＳＪＳＣ－２０１５－３) 作者简介:李颂华(１９７７—) ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事工程陶瓷精密加工技术ꎬ高精密陶瓷轴承技术和数控机床主轴关键技术等方面研究.
摘要目的研究压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性ꎬ为压电陶瓷驱动器力输出方面应用提供理论依据. 方法首先ꎬ设计一种压电陶瓷力输出性能测试装置ꎻ 然后ꎬ对预压力施加速度、施加预压力与电压的间隔时间、装置设计等外界因素对力输出特性影响进行分析ꎻ最后ꎬ使用最大输出力、平均迟滞度、最大曲线偏差值、曲线漂移量和曲线周期延迟量等多个评价指标ꎬ对ＰＳｔ / １５０ / ４ / ７ＶＳ９型压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作、电压步长等条件下的力输出特性进行实验分析. 结果压电陶瓷驱动器在１５０Ｎ预压力和１Ｈｚ的电压频率条件下输出效果最好ꎬ最大输出力可达到１１６�� ５６Ｎꎬ平均迟滞度为１０�� ７４％ ꎬ曲线最大偏差为３�� ８９％ ꎬ曲线漂移量为－０�� ４７Ｎꎻ过多次循环工作会造成迟滞曲线的重复性变差和延迟累计增大现象ꎻ相同电压步长下ꎬ力输出增量随着起始电压的增大而增大. 结论实验结果符合电畴翻转理论ꎬ且压电陶瓷驱动器具有力输出最佳工作条件.
ｄｏｉ:１０. １１７１７ / ｊ. ｉｓｓｎ:２０９５－１９２２. ２０１８. ０２. １８
压电陶瓷驱动器的力输出特性
李颂华１ꎬ２ ꎬ左闯１ꎬ２ ꎬ张丽秀１ꎬ２ ꎬ魏超１

压电陶瓷的电特性与功率损耗实验分析

终得到它们与驱动电压峰值预测能在主动振动控制领域中为设计压电
陶瓷驱动电源提供指标依据。
关键词：压电陶瓷致动器；功率损耗；非线性电容；介质损耗角正切；主动振动控制
ＣＨＥＮＧＹｏｕｘｉｎ，ＴＡＮＧＷｅｉ，ＢＡＯＢｉｎ，ＱＩＡｏＱｉａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｅｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｘｉ ’ ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃ（ＰＺＴ）ａｃｔｕａｔｏｒｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄ
性和功率损耗的确定对于优化系统结构和设计有效驱动电源均有至关重要的作用。据此，该文提出了一种预测ＰＺＴ功率损耗的实验方法。该方法通过理论分析与实验测试估计ＰＺＴ的电容量、介电损耗角正切及功率损耗，最
中图分类号：ＴＭ２８２文献标识码：Ａ
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄＰｏｗｅｒＬＯＳＳｏｆＰｉｅｚＯｅｌｅｃｔｒｉｃＣｅｒａｍｉｃｓ

压电陶瓷片压电特性的测试与分析

1 概述振动在周围环境中无处不在，振动机械能不仅是一种较普遍的能源形式，而且该能源是一种清洁的能源，如果可以将这些振动形式的能量转换为电能加以收集存储供随后使用，就可以将这种取之不尽的能源用于实际的工程当中，解决一些能源问题[1]。

目前微机电技术、材料科学、微电子技术、计算机技术等各领域科技最近几年得到快速发展，使得研究对象和产品结构和部件的尺寸变得越来越小，同时需求量变得越来越大，使得精密仪器对特殊形状的压电陶瓷片需求越来越多，压电陶瓷的应用形式也越来越广[2]。

本文将在不同外界压力作用下，对压电陶瓷元件的电气参数进行测试与分析。

2 压电陶瓷性能简介目前国内外已有对压电陶瓷压电特性进行的研究，并取得了一定成果。

1880年Pierre Curie 和Jacques Curie 在实验中发现了压电效应(在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化,由机械效应转化为电效应)，1881年他们又通过实验验证了逆压电效应(加反向电场,陶瓷片沿极化方向缩短。

这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应)的存在[3]。

压电陶瓷的力输出特性和其位移输出特性是分不开的，针对电陶瓷的位移输出特性，1998年，哈工大张涛等在论文中提出陶瓷是具有有限刚度的弹性体，在受到外力后要被压缩。

压电陶瓷位移输出和电压之间的关系是：随电压增大，位移输出也增大，力输出和位移输出的关系是；随位移输出的增大，力输出减小[4，5]。

压陶瓷的输出力和位移的关系曲线表明在空载的情况下压电陶瓷的输出位移为最大输出位移，在最大输出力的作用下，压电陶瓷的位移输出将为零[6]。

由于迟滞、蠕变等因素的影响，难以用一种统一的数学模型来准确的描述它[7]常见的描述有Preisach 模型[8-9]Prandtle-Ishlinskii 模型[10-11]，Maxwell 模型[12] 。

是从现象的角度描述其位移输出特性。

因此受到位移输出复杂性的影响，其力输出特性的描述也变的相当的复杂。

压电陶瓷的原理及特性研究

压电陶瓷的原理及特性研究
压电陶瓷是一种能够产生压电效应的材料。

压电效应是指当该材料受到外力作用时，会产生电荷分离或极化现象，从而在材料上产生电压。

压电陶瓷的原理是基于固体晶格的对称性变化。

当外力作用于压电陶瓷时，晶格中的离子会发生位移，从而引起正负电荷的分离。

这种电荷分离产生的电势差可以用来发电或驱动其他电子设备。

压电陶瓷的主要特性包括以下几个方面：
1. 压电效应：压电陶瓷可以在被压缩或拉伸时产生电压，这个特性使得它可以应用于传感器、振动器等领域。

2. 可逆性：压电陶瓷的压电效应是可逆的，即当外力停止作用时，电荷分离消失，电势差恢复为零。

这使得压电陶瓷可以在需要时对外力作出反应，而不需要额外的能源输入。

3. 高稳定性：压电陶瓷具有高稳定性和抗疲劳性能，可以在较长时间内保持稳定的压电效应。

这使得它能够在恶劣环境下工作，如高温、高湿度等条件。

4. 宽频响特性：压电陶瓷具有宽频响特性，可以在很宽的频率范围内产生响应。

这使得它在振动传感器、声波发射器等领域有广泛的应用。

通过研究压电陶瓷的原理及特性，可以进一步优化它的性能，拓展其在各个领域的应用。

完整版压电陶瓷片的原理及特性

完整版压电陶瓷片的原理及特性压电陶瓷是一种可压电材料，当施加外力时会产生电荷累积，从而产生电压。

压电陶瓷的原理是基于压电效应，即当施加外力时，材料内部的正负电荷会重新排列，形成电荷不平衡。

这种电荷不平衡会导致材料产生电位差，即产生电压。

压电陶瓷片由于具有良好的压电性能，广泛应用于传感器、超声换能器、无线电设备、换能器、纳米位移器、振动器等领域。

它的特点和特性如下：1.高压电系数：压电陶瓷片具有较高的压电系数，能够将机械能转化为电能，并且具有较高的能量转化效率。

这使得压电陶瓷片在能量采集、传感和控制领域应用广泛。

2.宽温度范围：压电陶瓷片的工作温度范围通常较宽，可以在极端的高温或低温环境下正常工作。

这使得它在航天、航空以及极地等恶劣环境中的应用具有独特的优势。

3.频率响应范围广：压电陶瓷片能够在较宽的频率范围内工作，通常从几千赫兹到几百兆赫兹。

因此，在超声波成像、荧光光谱仪和无线电通信等领域中具有重要的应用。

4.稳定性好：压电陶瓷片的性能稳定，具有优异的机械和电学性能。

它不易受到外界环境的影响，具有较长的使用寿命。

5.易于加工与制造：压电陶瓷片可以通过多种加工方法加工成不同形状和尺寸，如切割、打孔、磨削等。

这使得它在不同应用场合下可以满足不同形状和尺寸的需求。

6.低功率消耗：压电陶瓷片的功率消耗较低，适合用于需要低功耗的场合，如无线传感、医疗设备等。

7.较高的精度和稳定性：由于压电陶瓷片的工作原理和特性，它可以实现较高的精度和稳定性。

可以采集到更加准确和稳定的电信号或实现更加精确的控制。

总而言之，压电陶瓷片具有高压电系数、宽温度范围、频率响应范围广、稳定性好、易于加工与制造、低功率消耗和较高的精度和稳定性等特点和特性。

这使得它在诸多领域中有着广泛的应用前景。

压电陶瓷执行器的驱动技术研究

压电陶瓷执行器的驱动技术研究一、本文概述Overview of this article随着科技的快速发展，压电陶瓷执行器作为一种重要的驱动元件，在精密控制、振动抑制、传感器等领域的应用日益广泛。

其独特的驱动特性，如快速响应、高精度定位、低能耗等，使得压电陶瓷执行器在现代科技中占据了举足轻重的地位。

然而，如何高效、稳定地驱动压电陶瓷执行器，充分发挥其性能优势，一直是研究人员关注的焦点。

With the rapid development of technology, piezoelectric ceramic actuators, as an important driving component, are increasingly widely used in precision control, vibration suppression, sensors and other fields. Its unique driving characteristics, such as fast response, high-precision positioning, low energy consumption, etc., make piezoelectric ceramic actuators occupy a pivotal position in modern technology. However, how to efficiently and stably drive piezoelectric ceramic actuators and fully leverage their performance advantages has always been a focus of attention forresearchers.本文旨在探讨压电陶瓷执行器的驱动技术，深入分析其驱动原理、驱动电路设计、驱动信号优化以及在实际应用中的性能表现。

压电陶瓷电特性测试与分析

图4 ?蜂鸣片样品阻抗测试均值与标准偏差实验数据，@测试电压1 V
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。

压电陶瓷主要特性

压电技术|压电陶瓷的主要特性有哪些？什么是压电陶瓷，主要有哪些特性？什么是压电陶瓷压电陶瓷是可以将电能转换成位移或出力的功能性材料。

当压电晶体在外力的作用下发生形变时，在晶体表面可以产生与外力成比例的电荷，这种由于机械力的作用而使晶体表面出现极化电荷的现象，称为正压电效应。

同时，当压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，晶体会发生变形，形变的大小和外电场强度的大小成正比，这种由于电场的作用而使压电晶体发生形变的现象称为逆压电效应。

芯明天压电陶瓷产品以逆压电效应为主。

压电陶瓷的特性1、迟滞特性压电陶瓷升压曲线和降压曲线之间存在位移差。

在同一个电压值下，上升曲线和下降曲线上的位移值有明显的位移差，且这个位移差会随着电压变化范围的改变而改变，驱动电压越小则位移差也会相应越小，压电陶瓷的迟滞一般在给定电压对应位移值的10%-15%左右。

（如下图所示）。

我们将局部迟滞曲线的切换点之间的斜率定义为压电大信号形变系数d(G S):2、蠕变特性蠕变是指当施加在压电陶瓷的电压值不再变化时，位移值不是稳定在一固定值上，而是随着时间缓慢变化，在一定时间之后才会达到稳定值，如左图所示。

一般10s内蠕变量约为伸长量的1%~2%。

3、线性与非线性陶瓷的迟滞与蠕变可以通过闭环控制有效的消除，可以选择“芯明天”的闭环促动器以及闭环控制器产品。

4、温度特性温度变化是影响压电陶瓷纳米定位精度的一个非常重要的因素，压电陶瓷的性能会随着温度的改变而产生明显的变化。

叠堆共烧型压电陶瓷的居里温度为155℃，其使用温度为-25℃~+80℃。

超出100℃以上使用，陶瓷的性能会大幅下降，高温压电陶瓷的居里温度为360℃，操作温度可达200℃。

温度升高压电陶瓷的位移会受到一定的影响，取决于距离居里温度差值。

如果将陶瓷加热到居里温度点，将会产生退极化，压电效应将会随之消失，且不可恢复。

当与室温相比温度降低时，压电效应随之降低。

在液态氮的环境下，陶瓷的伸长度约为室温环境下的10%左右。

分析压电陶瓷换能器的工作原理

分析压电陶瓷换能器的工作原理
压电陶瓷换能器是一种常用于能量转换和传感应用的设备。

它是基于压电效应的工作原理来实现能量的转换。

压电陶瓷材料是一种能够产生电荷和变形的材料。

当施加力或压力到压电陶瓷上时，其内部的电荷分布发生改变，导致产生电压输出。

相反地，当施加电压到压电陶瓷上时，它会发生形变。

这种双向的能量转换使得压电陶瓷成为一种理想的能量转换材料。

在压电陶瓷换能器中，一般会使用两个电极将压电陶瓷材料固定在一起。

当施加力或压力到压电陶瓷上时，压力会导致压电陶瓷内部的极性分子发生位移，从而引起电荷分布的改变。

这些电荷分布的变化通过电极引导出来，形成电压输出。

压电陶瓷换能器也可以反向工作，即将电压输入到压电陶瓷上。

在这种情况下，输入的电压会导致压电陶瓷发生形变。

这种形变也可以通过电极引导出来，用于传感或执行工作。

压电陶瓷换能器具有很高的能量转换效率和广泛的频率响应范围，因此在众多应用中得到广泛应用。

例如，它可以被用作传感器，将压力、力量或振动转换为电信号；它还可以被用作执行器，将电信号转换为机械运动。

此外，压电陶瓷换能器还可以用于发电、水声通信、超声成像以及精密仪器等领域。

总结来说，压电陶瓷换能器通过利用压电效应来实现能量的转换。

当施加力或压力时，压电陶瓷会产生电压输出；当施加电
压时，压电陶瓷会产生形变。

这种能量转换特性使得压电陶瓷成为一种重要的功能材料，广泛应用于能量转换和传感领域。

使用压电陶瓷驱动器实现精确位置控制

使用压电陶瓷驱动器实现精确位置控制在现代科技的发展中，精确位置控制在许多领域中都扮演着重要的角色。

无论是机械制造、医疗设备还是航空航天等领域，都需要高精度的位置控制来确保设备的正常运行。

而压电陶瓷驱动器作为一种新兴的驱动技术，正逐渐被广泛应用于精确位置控制领域。

压电陶瓷驱动器是一种基于压电效应的驱动器，通过施加电压在压电陶瓷材料上产生变形，从而实现对物体位置的精确控制。

压电材料具有压电效应，即在外加电场的作用下，会发生形变。

这种特性使得压电陶瓷驱动器能够实现微米级别的位移控制，从而满足精确位置控制的需求。

在使用压电陶瓷驱动器实现精确位置控制时，首先需要选择合适的压电陶瓷材料。

目前市场上常见的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛酸盐）和PZN-PT（铅锆钛酸钠钛酸盐）等。

这些材料具有良好的压电性能，能够产生较大的变形量，从而实现更精确的位置控制。

其次，为了实现精确位置控制，需要设计合理的驱动电路。

驱动电路可以根据具体应用的需求选择不同的驱动方式，如恒压驱动、恒流驱动等。

此外，还可以通过采用反馈控制系统来实现位置的闭环控制，从而提高控制的精度和稳定性。

在实际应用中，压电陶瓷驱动器可以广泛应用于各种领域。

例如，在精密仪器制造中，可以利用压电陶瓷驱动器实现对光学元件的微调，从而提高光学设备的精度。

在医疗设备中，可以利用压电陶瓷驱动器实现对手术器械的精确位置控制，提高手术的成功率。

在航空航天领域，压电陶瓷驱动器可以应用于航天器的姿态控制，确保航天器在太空中的准确定位。

虽然压电陶瓷驱动器在精确位置控制中有着广泛的应用前景，但也存在一些挑战和限制。

首先，压电陶瓷材料的性能受温度和湿度等环境因素的影响较大，这可能会导致驱动器的性能不稳定。

其次，压电陶瓷驱动器在高频率下的性能较差，这限制了其在某些领域的应用。

此外，压电陶瓷驱动器的制造成本较高，这也限制了其在大规模应用中的推广。

总的来说，使用压电陶瓷驱动器实现精确位置控制是一种有效的技术手段。

压电陶瓷驱动器原理

压电陶瓷驱动器原理
压电陶瓷驱动器是一种用于驱动压电陶瓷执行器的电子设备。

它的工作原理基于压电效应，即应力加在压电材料上会产生电荷，反之，施加电压会产生应力。

压电陶瓷驱动器主要由电源、放大器和压电陶瓷执行器组成。

当电源提供电压时，放大器将电压放大并输出到压电陶瓷上。

压电陶瓷受到电压的影响，会发生形变或振动。

具体来说，当施加电压时，压电陶瓷会经历弯曲、膨胀或收缩等变形，它的外形会改变。

这种变形可以被用来实现精确的运动控制，比如调整镜头焦距、振动马达等。

压电陶瓷驱动器还可以通过将电压快速切换来产生高频振动。

这种特性被广泛应用于声波发射和接收装置，比如超声波传感器和超声波清洗器等。

总之，压电陶瓷驱动器利用压电效应将电压转换为形变或振动，在各种工业和科学应用中都发挥着重要作用。

压电陶瓷驱动器的应用如何

压电陶瓷驱动器的应用如何简介压电陶瓷是一种能够产生电荷和电位变化的材料。

利用压电效应，可以将机械振动转换为电能或者将电能转换为机械振动。

因此，压电陶瓷在工业、生物医学、汽车等领域有着广泛的应用。

本文将重点介绍压电陶瓷驱动器的应用。

压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器是通过改变压电陶瓷的尺寸变化，来实现机械运动的装置。

压电陶瓷的尺寸变化是通过施加电压实现的。

在外加电压的作用下，压电陶瓷会发生形变，由此产生相应的力和位移。

因此，通过在压电陶瓷上施加电压，可以控制其运动。

应用纳米定位和运动控制压电陶瓷驱动器具有高精度、高分辨率等特点，可以用于微系统的纳米定位和运动控制。

微系统是指在微米或纳米级别制造的集成电路、器件和系统组成的系统。

微系统在精密制造、生物医学、环境监测、能源等领域有着重要的应用。

压电陶瓷驱动器可以通过控制电压实现微机械的纳米定位和运动控制。

精密加工压电陶瓷驱动器也可以用于机械加工中的精密加工。

机械加工是制造产品的一种方法，包括切削、钻孔、磨削和磨光等过程。

在精密加工中，需要高精度、高稳定性的设备来实现工艺要求。

压电陶瓷驱动器可以通过电压控制来实现精密加工中机械部件的运动控制，从而实现高精度的机械加工。

气体传感器压电陶瓷驱动器还可以用于气体传感器中。

气体传感器是一种检查空气中可能存在的有害气体的设备。

传统的气体传感器是基于电化学、热敏和光学效应等设计的。

相比之下，基于压电陶瓷驱动器的气体传感器具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好的特点。

压电陶瓷驱动器通过电压控制，使压电陶瓷振动，产生声波，根据空气中气体分子的质量和弹性不同，声波的频率和振幅也会有所改变，进而实现气体的检测。

总结压电陶瓷驱动器是一种实现机械运动的装置，通过施加电压在压电陶瓷上实现控制运动。

基于压电陶瓷驱动器的应用包括纳米定位和运动控制、精密加工和气体传感器等领域。

相比传统的方法，压电陶瓷驱动器具有高精度、高分辨率、响应速度快等特点，在相关领域中有着广泛的应用前景。

压电陶瓷特点

压电陶瓷特点
压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应，即在施加或取消机械压力时会产生电荷分布的变化。

以下是压电陶瓷的一些特点：
1. 压电效应：压电陶瓷的最显著特点是具有压电效应。

当施加压力或拉伸力时，其晶格结构发生变化，导致正电荷和负电荷在陶瓷内部的分布发生变化，从而产生电荷。

这个电荷分布的变化产生的电场使得压电陶瓷呈现出电荷的极性。

2. 压电材料应用广泛：压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、声波器件等领域。

例如，压电陶瓷可以用于制造压电传感器，用于检测和测量压力、力、温度等物理量。

3. 高频响应：压电陶瓷具有较高的频率响应能力，因此常被应用于声波器件，如扬声器、超声波发生器等。

4. 机械刚性好：压电陶瓷具有较好的机械刚性，可以在较大的压力范围内保持其稳定性，这使得它在一些需要耐高压力环境的应用中具有优势。

5. 温度稳定性：压电陶瓷具有相对较好的温度稳定性，能够在一定温度范围内保持压电效应的稳定性。

6. 易加工：压电陶瓷易于制备和加工，可以通过陶瓷成型和烧结等工艺进行制造，使其形成不同形状和尺寸的器件。

7. 良好的电机械能换能性能：压电陶瓷具有良好的电机械能换能性能，即可以将电能转换为机械能，也可以将机械能转换为电能。

8. 耐腐蚀性：压电陶瓷具有较好的耐腐蚀性，可以在一些特殊环境下使用。

总体而言，压电陶瓷以其独特的压电性能在多个领域有广泛的应用，从传感器到声学器件等，都发挥着重要的作用。

压电陶瓷驱动器在微纳制造中的应用探讨

压电陶瓷驱动器在微纳制造中的应用探讨随着科技的不断进步，我们的生活越来越离不开微纳技术。

微纳制造技术的诞生，为我们的生产和生活带来了很多便利。

在微纳制造中，三维打印技术、微型机械加工等技术已经得到了广泛应用。

而压电陶瓷驱动器也是微纳制造中的一种重要的技术手段，在微纳制造中发挥了重要的作用。

压电陶瓷材料是指在受到外界电场激励时能够发生固有形变，并且固有形变又可以在外界电场作用下被激励，产生电荷性响应的一种特殊功能材料。

压电陶瓷驱动器就是利用压电陶瓷材料的特性，实现微小精确运动的一种装置。

对于微纳制造来说，高精度、高速度、高稳定性是其最为重要的特点。

而压电陶瓷驱动器在这些方面都有着很强的优势。

首先，压电陶瓷驱动器具有高响应速度。

只需要在短暂的时间内给予电压激励，就可以得到非常精确的位移或速度输出。

其次，压电陶瓷驱动器的分辨率可以达到微米或更小。

这对于微纳制造来说是非常重要的。

最后，压电陶瓷驱动器的结构非常简单，非常容易集成到微型机器人中。

压电陶瓷驱动器的应用范围非常广泛，可以用于微制造、微加工、微机器人、精密仪器等领域。

在微纳制造中，它常被用于实现微机械运动、微器件刻画和微流控系统调控等方面。

在微机器人领域，压电陶瓷驱动器被广泛应用于运动控制，主要用于实现机械臂、夹持器等部分的自由度控制。

在微针插入和移动过程中，压电陶瓷驱动器的高精度和高稳定性保证了手术的安全性和精确性。

在微机械加工中，压电陶瓷驱动器可以实现对微型零部件的加工和组装。

在实现微纳加工的过程中，压电陶瓷驱动器可以实现进给和定位控制。

例如，在激光微细加工中，压电陶瓷驱动器可以实现非常小的步进控制，以便实现准确的加工效果。

总之，压电陶瓷驱动器是微纳制造技术中非常重要的一种技术手段。

其优秀的性能和广泛的应用范围，为微纳制造带来了很多便利。

在今后的微纳制造研究中，压电陶瓷驱动器还将继续发挥重要作用，为微纳制造技术的不断创新和进步提供强有力的支撑和帮助。

压电陶瓷阻抗特性分析

压电陶瓷阻抗特性分析摘要：本文以压电陶瓷阻抗为研究对象，首先介绍了压电陶瓷的等效模型，然后进一步分析等效模拟的匹配及效率，对比验证推理及测试结果，推出压电陶瓷阻抗特性的关系，希望可以为有需要的人提供参考意见。

关键词：压电陶瓷、阻抗分析、阻抗匹配、效率一、压电陶瓷等效电路模型在狭窄的谐振频率范围内，压电陶瓷电路模型可以用以下电路来等效：其中，称为静态电容，称为等效电容，称为等效电感，称为等效电阻。

与晶片的尺寸、电极布置方式等有关，可以用Q表电容表在远低于其谐振频率的频率上直接测得。

串联支路上的、谐振时的频率就是串联谐振频率，在频率较低时，的容抗远大于等效电阻，对测量的值的影响可以忽略。

其总阻抗为：在、和组成的串联电路中，其阻抗特性如下图所示：和决定了压电陶瓷的串联谐振频率，其值为：在这个谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极小值，并且，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的发射体。

在时，和组成的串联电路呈感性，与并联等效电容组成并联谐振，其阻抗特性如图3所示：在这个并联谐振频率下，压电陶瓷的阻抗达到极大值，在附近，压电陶瓷晶片是一个效率最高的接收器。

实测结果为。

综合图2和图3，可以绘出压电陶瓷在谐振频率附近的阻抗特性如图4所示：由图4可以得出，若使，换能器处于最佳发射状态，但接收效率最低。

若使,换能器处于最佳接受状态，但发射效率最低。

所以应该在和之间折中选择。

如果使用的是2的驱动频率，所以应选择标称谐振频率（即串联谐振频率）为1.9偏下为宜。

二、超声换能器阻抗匹配通过对超声换能器的研究可知，当压电陶瓷的工作频率远低于其固有频率时，压电陶瓷的电学特性等效于一个电容器，通常称此电容为静态电容，即图1中的,可通过电容表直接测得，在超声换能器工作过程中近似为常数。

超声换能器是一种机电转换元件，具有电学和机械两种端口。

在机械端是通过声学元件与声学负载相连，在电端则是通过匹配电路与超声功率源相连。

声学匹配的好坏决定换能器的技术特性和应用场合，而电匹配的优劣则直接影响超声设备的作用效果。

压电陶瓷片的原理及特性

压电陶瓷片的原理及特性
压电陶瓷片是一种具有压电效应的陶瓷材料，其原理基于压电效应的物理特性。

压电效应是指在某些材料中，当这些材料受到力或压力作用时，会产生电荷分离，从而产生电势差。

具体来说，压电陶瓷片由许多微小的、高度有序排列的、带电荷的晶体单元组成。

在正常情况下，这些电荷平衡分布，不存在净电荷。

当外力或压力作用于压电陶瓷片上时，晶体单元会被压缩或拉伸，导致电荷的不平衡。

这种不平衡的电荷分布产生了一个电势差，即压电效应。

压电陶瓷片具有以下特性：
1. 压电效应：压电陶瓷片可以将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。

当外力施加到陶瓷片上时，它会产生电势差，可以用作传感器或驱动器件。

2. 快速响应：压电陶瓷片的响应速度很快，可以在微秒级别做出响应。

这使得它在一些需要快速反应的应用中非常有用。

3. 宽频响范围：压电陶瓷片可以在较宽的频率范围内工作，从几赫兹到几百兆赫兹。

这使得它在声波传感、振动控制等领域有广泛的应用。

4. 高机械品质因数：压电陶瓷片具有较高的机械品质因数，即能量在压电材料中的耗散程度很低。

这意味着它可以高效地转换电能和机械能，并具有良好的能量转移特性。

5. 耐高温性：压电陶瓷片具有较高的耐高温性能，可以在高温环境下使用。

这使得它在一些特殊应用场景中具备优势。

综上所述，压电陶瓷片通过压电效应将机械能转化为电能或将电能转化为机械能。

它具有快速响应、宽频响范围、高机械品质因数和耐高温性等特点，广泛应用于声学、振动控制、传感器及驱动器件等领域。

压电陶瓷模拟分析报告

压电陶瓷模拟分析报告
近年来，压电陶瓷在科技领域中发挥着越来越重要的作用。

压电陶瓷作为一种具有压电效应的材料，能够通过施加外力或电场来改变其形状或产生电荷，具有广泛的应用前景。

为了更好地了解和利用压电陶瓷的性能，本文对其进行了模拟分析。

首先，我们通过有限元分析软件对压电陶瓷的机械特性进行了模拟。

我们将压电陶瓷材料分割为小的有限元单元，并在每个单元上施加一定的外力。

通过求解有限元方程，我们得到了压电陶瓷在不同载荷下的应力和变形情况。

结果显示，压电陶瓷在外力作用下会发生弯曲和拉伸等变形，这些变形程度与施加的外力大小有关。

接下来，我们对压电陶瓷的电学特性进行了模拟分析。

我们在压电陶瓷的两端施加电场，并通过求解电场分布方程得到了电场分布情况。

结果表明，压电陶瓷中的电场分布不均匀，电场在陶瓷内部呈现出高低不等的分布情况。

此外，我们还研究了电场强度对压电陶瓷的压电效应的影响。

结果显示，电场强度越大，压电效应越明显。

最后，我们对压电陶瓷的耦合特性进行了模拟分析。

我们同时考虑了机械载荷和电场的作用，并通过求解耦合方程得到了压电陶瓷的耦合效应。

结果显示，机械载荷和电场的耦合作用会导
致压电陶瓷的形状变化和电荷分布的改变。

这种耦合效应使得压电陶瓷能够广泛应用于传感器、执行器等领域。

综上所述，通过模拟分析压电陶瓷的机械、电学和耦合特性，我们对其性能有了更深入的理解。

这些模拟结果为我们设计和制造更高性能的压电陶瓷材料提供了指导。

未来，我们将继续研究压电陶瓷的模拟分析，以进一步拓展其应用领域，并为实际应用提供更好的支持。

压电陶瓷驱动器的力输出特性

压电陶瓷驱动器的力输出特性李颂华;左闯;张丽秀;魏超【摘要】目的研究压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性,为压电陶瓷驱动器力输出方面应用提供理论依据.方法首先,设计一种压电陶瓷力输出性能测试装置;然后,对预压力施加速度、施加预压力与电压的间隔时间、装置设计等外界因素对力输出特性影响进行分析;最后,使用最大输出力、平均迟滞度、最大曲线偏差值、曲线漂移量和曲线周期延迟量等多个评价指标,对PSt/150/4/7VS9型压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作、电压步长等条件下的力输出特性进行实验分析.结果压电陶瓷驱动器在150 N预压力和1Hz的电压频率条件下输出效果最好,最大输出力可达到116.56N,平均迟滞度为10.74％,曲线最大偏差为3.89％,曲线漂移量为-0.47 N;过多次循环工作会造成迟滞曲线的重复性变差和延迟累计增大现象;相同电压步长下,力输出增量随着起始电压的增大而增大.结论实验结果符合电畴翻转理论,且压电陶瓷驱动器具有力输出最佳工作条件.【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(034)002【总页数】10页(P350-359)【关键词】压电陶瓷;力输出;预压力;电压频率;循环工作;电压步长【作者】李颂华;左闯;张丽秀;魏超【作者单位】沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TN384;TH691.9压电陶瓷驱动器具有输出功率高、控制精度高和响应快等优点，作为一种理想的驱动器在精密机械、光学、半导体微元件和数字储存等领域广泛应用．但是其输出的迟滞特性、蠕变特性直接影响压电陶瓷驱动器精密控制的效果，其中迟滞特性指的是在相同工作条件下全测量范围，在同一输入量正行程和反行程输出不重合的现象，并用不重合量的最大偏差值占总输出的百分比来评价.蠕变特性指压电陶瓷驱动器输出与电压施加时间之间会产生相对滞后的效应．从而国内外针对压电陶瓷驱动器的输出特性和精确建模控制进行了大量研究.压电陶瓷驱动器宏观上表现为动力输出，在微观上主要为非180°电畴在电场的作用下翻转产生的，同时在降压过程非180°电畴不完全可逆引起了迟滞现象的发生[1]．根据铁电理论在外电场和外应力等因素作用下可改变畴的分布形态，从而引起压电陶瓷驱动器动力输出和迟滞现象的变化[2]，预压力可以引起压电陶瓷驱动器的晶体排列发生变化，经过试验分析适当的预压力可增大位移输出，减小迟滞度，且输入电压频率对压电陶瓷驱动器的迟滞特性具有影响作用[3]，同时压电陶瓷驱动器具有记忆擦除特性和次环一致特性，为压电陶瓷驱动器预测模型的建立提供了理论依据[4-5]．相同电压步长下随着初始电压的增加电畴翻转数量也会增加，因此压电陶瓷驱动器的输出位移相应增加[6]．压电陶瓷驱动器的蠕变量随着位移变化量的增加而增加，与电压变化的方向无关[7]．迟滞模型的建立主要分为物理模型与数学模型两大类．其中物理模型方面主要基于能量之间的转换关系建立，如基于摩擦力和弹簧系统弹力之间物理关系描述迟滞现象的Maxwell模型[8]，基于能量守恒原理描述迟滞现象的Jiles-Atherton模型[9]．在数学建模方面，主要在实验测试数据的基础上对迟滞现象进行全面的预测，如针对迟滞现象的外观特征出发的PI模型[10-12]，通过使用一系列迟滞算子加权叠加描述迟滞现象的Preisach模型[13-15]．在Preisach模型工作的基础上，使用神经网络建立迟滞模型[16-17]，在迟滞控制方面主要在预测模型的基础上求解逆模型进行前馈补偿[18]，PID反馈的复合控制[19]和基于预测模型补偿的滑模控制[20]．以上的研究主要针对压电陶瓷驱动器位移输出特性进行研究，并未对力输出特性进行研究，如基于压电陶瓷驱动器的轴承预紧力控制装置研究等主要针对其力输出特性进行应用，由于压电陶瓷驱动器在受到外力时内部电畴分布会发生变化，因此位移输出情况下的性质不完全适用于力输出情况，从而限制了压电陶瓷驱动器的应用．基于此，笔者主要对压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作和不同电压步长等条件下的力输出特性进行实验研究，求得压电陶瓷力输出效果最好的初始条件，为压电陶瓷驱动器力输出应用提供理论依据．1 实验方案的设计1.1 压电陶瓷驱动器基本参数及工作原理压电陶瓷驱动器力输出特性通过实验对PSt 150/4/7 VS9机械封装式压电陶瓷驱动器进行研究．压电陶瓷驱动器工作的本质是电介质在电场的作用下产生极化现象，微观上表现为电畴向保持自由度最小状态翻转，其中非180°电畴翻转对于压电陶瓷的输出具有决定性作用，180°电畴翻转对压电陶瓷驱动器的输出影响微弱．同时电介质感应极化效应所引起的电致伸缩也会引起压电陶瓷的位移或力输出，但是影响极其微弱因此可以忽略不计[1]．电畴在翻转过程中产生摩擦和不可逆翻转，以及内部障碍物的影响，引起的迟滞和蠕变现象一定程度上限制了压电陶瓷驱动器的精确使用．1.2 实验装置设计图1为压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性测试装置．图1 压电陶瓷驱动器测试装置Fig.1 Test device of piezoelectric actuators由图1可知：压电陶瓷驱动器测试装置根据奇石乐公司9257B型平面测力计结构参数进行设计．通过梁结构支架与平面测力计底座配合作用将压电陶瓷驱动器与测力传感器进行机械夹持．在支架上安装预压螺栓控制预压力，由于剪切力和转矩对压电陶瓷驱动器具有破坏作用，通过在支架上铣键槽放置滑块的方式实现将旋钮力转化为沿压电陶瓷轴线方向的压力，笔者使用其他设备包括HVA-150D.A1型驱动电源提供不同形式的电压，奇石乐公司提供的5080型号电荷放大器，奇石乐公司5697型数据采集系统．2 数据还原和初始条件施加过程对输出特性的影响笔者通过标准化数据还原与操作过程，为压电陶瓷驱动器在不同初始条件下获得重复性和稳定性较好力输出数据提供有效保证，同时也为如何安装压电陶瓷驱动器提供理论依据．2.1 数据还原过程中影响因素分析采样的频率过高会导致采集数据的重叠失真，采样频率过低会导致数据的漏采失真．因此对压电陶瓷在0～10 V驱动电压下进行不同采样频率测试实验．图2为10V电压步长不同采样频率下数据的对比关系．通过观察在105 Hz采样频率下数据呈现严重的带状分布，102 Hz采样频率时数据采样过于稀疏，都不能真实反应压电陶瓷驱动器输出的真实情况．104 Hz采样频率时虽然迟滞曲线呈现出较好的回环形状，但是曲线局部区域内具有过多尖锐的波峰和波谷．在103 Hz采样频率时能够较好的反应实验现象．图2 10V电压下的采样情况Fig.2 Sampling at 10V把实验采集的时间序列数据还原为电压序列迟滞回环数据，基准点的选择直接关系到输入电压能否与输出力值相对应，笔者采用以压电陶瓷驱动器每个周期输出力的峰值为数据还原的基准点，分别向上升阶段和下降阶段分别反向取半个周期点数还原的方法，对1 000 Hz采样频率，150 V驱动电压行程的情况下还原情况进行计算，对选定的上升阶段的初始点与其附件的最小值所在位置点的差值绝大多数可以保证在五个采样点数之内，即0.005 s时间误差，1.5 V电压误差范围之内，基本可以保证在10点采样点数之内，即0.01 s的时间误差，3 V电压误差范围之内，因此这种数据还原方法是可行的．2.2 初始条件施加过程对测试结果的影响分析预压力的施加速度、施加预压力与电压的间隔时间和测试装置滑块形状三个初始条件施加影响因素对压电陶瓷驱动器输出特性的影响．使得预压力施加和数据的测试具有一个标准化的过程，减小初始条件的施加过程对于压电陶瓷性能测试的影响．通过旋钮预压螺栓分别以5 N/s、15 N/s和50 N/s的速度均匀施加150 N预压力，并观测其在0～150 V电压下的输出情况，预压力施加速度过快导致压电陶瓷测试系统的稳定性和重复性变差，过小的加速度对于压电陶瓷的输出性能并无明显的提升．基于此，笔者采用15 N/s速度施加预压力，三组实验数据如表1所示．表1 不同施加速度力输出情况Table 1 Force output under different acceleration施加速度/(N·s-1)最大输出力/N平均迟滞度/%曲线最大偏差/%漂移量/N5116.5210.593.96-0.6115116.5610.743.89-0.4750115.1612.045.48-4.02 由于压电陶瓷驱动器本身性质和实验装置刚度等因素影响，因此分别在预压力施加完成后间隔10 s、30 s和1 min施加驱动电压，验证施加预压力与电压的间隔时间对于压电陶瓷力输出性能的影响，实验结果显示，间隔时间为10 s时测试装置与压电陶瓷未处于稳定状态，输出曲线出现明显的向下飘移的现象，最大输出力数值偏小，且测试结果重复性较差．间隔时间为1 min时且输出曲线呈现出向上飘移的趋势，经计算平均迟滞度明显增大．时间间隔为30 s时输出数据相对稳定，实验重复性好，且输出力的效果也非常好．图3为三种时间间隔输出情况的对比图．图3 不同时间间隔力输出情况Fig.3 Force output at different interval time分别制造宽窄两种滑块验证实验装置的设计对于压电陶瓷力输出特性的影响，宽的滑块会与键槽接触来将预压螺栓的扭转力转化为沿压电陶瓷轴线方向的压力，使用窄的滑块使滑块不与键槽接触，通过外界约束将螺栓的扭转力转化为沿压电陶瓷轴线方向的压力，分别在150 N预压力和0～150 V电压条件下实验分析，滑块对压电陶瓷输出性能影响的结果如表2所示，使用宽滑块时压电陶瓷力输出特性明显优于窄滑块．表2 滑块对输出性能影响Table 2 Influence of slider on output characteristic 滑块型号最大输出力/N平均迟滞度/%曲线最大偏差/%漂移量/N宽116.1311.283.92-0.09窄102.7514.433.890.563 压电陶瓷驱动器力输出特性分析压电陶瓷驱动器内部畴的分布形态会在外力和外电场的作用下发生改变，压电陶瓷驱动器在外电场的作用下微位移输出研究不完全适用于其在外力和电场共同作用下力输出应用．对压电陶瓷驱动器机械夹持情况下分别进行不同预压力、电压频率、循环工作和不同工作电压步长条件下进行实验分析研究其力输出特性．笔者采用单因素实验对压电陶瓷驱动器在不同的条件下的力输出特性进行分析．通过以下指标评价压电陶瓷驱动器的输出特性，其中最大输出力指压电陶瓷驱动器每个工作周期输出力的极大值与极小值之间差值，并选取多个循环周期中的最大值；由于压电陶瓷驱动器在力输出情况下的迟滞现象呈现一定的波动情况，因此采用平均迟滞度描述迟滞现象，平均迟滞度指压电陶瓷多个周期迟滞度的平均值，如未特殊说明均指7个周期迟滞度的平均值；曲线最大偏差值指的是不同周期相同的行程所对应的曲线最大差值所占最大力输出量的百分比；漂移量指的是输出力的最小值与坐标零点的差值．对于循环工作时提出的周期延迟指的是推导出最大输出力发生时间与实际发生时间的间隔．3.1 不同预压力下压电陶瓷驱动器的力输出特性压电陶瓷驱动器在不同预压力作用下位移输出与迟滞度均有很大的区别，并存在预压力最佳值使得输出状态最好，且弹性模量随着应力的增大先增大并逐渐趋于平缓[3-4]．位移输出情况下的预压力为弹簧施加的固定值，力输出情况相当于压电陶瓷驱动器在预压力基础上继续受到更大的作用力，因此位移输出与力输出有所不同．进行预压螺栓施加范围在30～240 N，间隔步长为30 N的预压力，输入1 Hz频率和0～150 V电压信号的压电陶瓷驱动器力输出特性实验，通过图4表示不同预压力情况下迟滞回环曲线变化情况，表3表示不同预压力下压电陶瓷驱动器的力输出特性，其中箭头所示方向为预压力增大方向．图4 不同预压力下的力输出特性Fig.4 Force output characteristics under different preload表3 不同预压力下的力输出特性Table 3 Force output characteristics under different preload预压力/N最大输出力/N平均迟滞度/%曲线最大偏差/%漂移量/N3099.5410.275.594.6460103.3411.705.03-2.6790108.6113.475.20-0.32120114.4714.085.241.92150116.5610.743.89-0.47180115.7811.514.45-0.73210114.7914.124.480.09240112.3613.375.17-1.31270111.0212.184.87-2.91实验结果显示在相同初始条件下，压电陶瓷驱动器的增加最大输出力随着预压力的增加呈现先增加后减小的趋势，曲线最大偏差量与漂移量随着预压力的增加呈现先减小后增加的趋势，但是迟滞度并未表现出明显的变化趋势，且曲线最大偏差等的变化趋势并不是十分明显，易受到初始条件施加过程影响，但是根据数据综合评定显示压电陶瓷在150 N预压力条件下输出效果较好，最大输出力116.56 N，此条件下平均迟滞度为10.74%，不同周期曲线最大偏差值3.89%，迟滞曲线漂移量-0.47 N，说明外力作用对电畴翻转具有一定影响，适度的预压力有利于提升压电陶瓷输出性能、重复性和稳定性．3.2 不同电压频率下压电陶瓷驱动器的力输出特性压电陶瓷驱动器在工作过程中由于电介质之间摩擦，以及自身刚度以及外界条件的限制，以及在不同的电压阶段和频率条件下内部的畴结构具有不同的翻转规律，同时机械夹持对于电畴的结构具有一定的改变作用，在不同频率驱动电压下的力输出特性会表现出微小的区别且现象与微位移输出时略有不同．测量压电陶瓷驱动器在150 N的预压力和0～150 V驱动电压条件下，不同频率驱动电压情况下的力输出特性．表4和图5共同表示压电陶瓷驱动器在不同频率驱动电压下的输出情况. 表4 不同电压频率下的输出特性Table 4 Output characteristics under different voltagefrequency电压频率/Hz最大输出力/N平均迟滞度/%曲线最大偏差/%漂移量/N1116.5610.743.89-0.4710113.9310.783.872.2120113.6611.019.106.5130111.1612.102.504.5640 110.6514.037.054.2450109.849.824.136.94图5 不同电压频率下的输出特性Fig.5 Output characteristics under different voltage frequency实验结果显示：压电陶瓷驱动器的最大输出力随着电压频率的增加而减小，但是分辨程度并不是十分明显．压电陶瓷的漂移量大致表现为随着驱动电压频率增加而增加的趋势，且平均迟滞度随着电压频率增大而增大，但是在50 Hz电压时平均迟滞度较小．输入电压频率10 Hz、20 Hz和40 Hz时迟滞曲线呈现波浪形状，经过频谱分析，得到频率为相应激励电压频率204倍的高频信号，此频率与曲线波动频率基本一致，并对测试装置梁结构进行模态分析得到一阶频率在3 743 Hz左右，与波动信号频率不一致，所以波动信号应该不是测量装置振动引起，压电陶瓷驱动器的力输出特性的稳定性和重复性均变差了．因此可以得出：压电陶瓷驱动器在1 Hz电压频率情况下力输出相对稳定且重复性较好，符合压电陶瓷驱动器在低频电压下工作相对稳定的结论．3.3 压电陶瓷驱动器循环工作时力输出特性由于压电陶瓷驱动器内部电畴翻转之间的相互作用，以及电解质晶格之间的摩擦和外部结构弹性变形等多方面因素的影响，压电陶瓷驱动器在循环驱动电压的作用下力输出特性略有不同．因此采用1 Hz频率和0～150 V的驱动电压对压电陶瓷驱动器力输出特性进行循环工作实验测试．图6和表5共同表示压电陶瓷14次循环工作时力输出特性．表中的位置指每个周期中最大迟滞度发生时对应的输入电压．图6 不同循环周期下的力输出特性Fig.6 Force output chara cteristics under different cycle表5 不同循环周期下的力输出特性Table 5 Force output characteristics under different cycle循环次数最大输出力/N迟滞度/%漂移量/N周期延迟/s位置/V1116.568.35-0.47063.02116.5011.44-0.590.00669.33116.4812.11-0.700.01097.54116.4313.34-0.700.00963.95116.536.52-0.830.02263.36116.4712.61-0.860.00167.87116.4510.81-0.860.01497.28116.399.53-0.880.01363.39116.4213.82-0.900.00470.210116.407.06-0.900.02259.411116.4013.21-0.940.00168.412116.476.34-0.960.01065.713116.3916.21-0.960.05067.814116.4411.86-0.960.01369.9实验结果显示在循环工作情况下，压电陶瓷最大输出力虽然会有微小的波动现象，但总体上呈现下降趋势．当循环7周期时平均迟滞度为10.74%，曲线最大偏差为3.89%，但是当14周期时平均迟滞度为10.94%，曲线最大偏差增大到了5.68%，说明迟滞度呈现波动变化，但是平均迟滞度保证在一个稳定区域范围内变化，但是过多次循环工作会对曲线重复性造成影响．漂移量随着循环次数增加呈现出减小趋势．两个相邻周期之间延迟0.01 s左右，并且呈现出累积增加的趋势，第14个周期时延迟累计已经达到0.13 s．最大迟滞度发生在59.4～70.2 V．3.4 不同电压步长下压电陶瓷驱动器的力输出特性不同起始电压以及电场强度会对电畴翻转状态造成一定影响，在150 N预压力和1 Hz电压频率下对压电陶瓷驱动器在不同电压步长和起始电压下力输出特性的分析．图7(a)为10 V电压步长，起始电压分别为0 V、40 V、90 V和140 V在下的力输出情况，图7(b)为50 V电压步长，起始电压分别为0 V、50 V和100 V下的力输出情况，为了更好地对比压电陶瓷驱动器在不同工作步长不同电畴翻转状态下的力输出特性，图中横坐标代表输入电压的增量值，纵坐标代表输出力的增量值.在机械夹持和相同电压步长条件下压电陶瓷驱动器的输出力增量会随着起始电压的增大而增大，且输出力的增大速度会随着电压的增加而增加．在10 V和50 V电压步长情况下压电陶瓷驱动器并没有表现出其在微位移情况下输出力增值先增大后减小的规律，说明机械夹持一定程度上限制了压电陶瓷驱动器的输出，即抑制了电畴翻转，随着电场的加强，极化的趋势越来越强，从而输出力增量随着起始电压的增加而增大．由图7(a)可以看出10 V电压步长时输出力呈现不规则锯齿状分布，经过对比分析这种现象在任何行程驱动电压回转变化时均有发生．图7 不同电压步长输出力Fig.7 Output force under different voltage travel4 结论(1)103 Hz采样频率和最大输出力最大值作为还原点条件时可以良好反映压电陶瓷驱动器的力输出特性.(2)压电陶瓷驱动器以15 N/s和在预压力施加完成30 s时进行实验的重复性和稳定性较好.(3)压电陶瓷驱动器在150 N预压力和1 Hz电压频率条件下的力输出特性较好.(4)压电陶瓷驱动器不适合多次循环工作，且输出力增量随着起始电压的增加而增大.参考文献[1] 史丽萍，魏艳波，魏喜雯，等．压电陶瓷迟滞非线性的成因与校正[J].黑龙江大学工程学报，2013，4(2):103-112.(SHI Liping，WEI Yanbo，WEI Xiwen，et al．Forming reason and correction for hysteresis nonlinearity of piezoelectric ceramics[J].Journal of engineering of Heilongjiang 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压电陶瓷的特性及应用举例

压电陶瓷的特性及应用举例芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对芯明天压电陶瓷Δ压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。

正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。

Δ纳米级分辨率压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。

压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。

在实际使用中，压电陶瓷的分辨率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。

Δ大出力压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。

Δ响应时间快 <ms压电陶瓷随驱动电压的变化而快速伸缩，它的响应时间即为压电陶瓷的充电的时间，可达毫秒至亚毫秒量级。

最快响应时间取决于压电陶瓷的谐振频率，一般为谐振时间的1/3 。

压电陶瓷被广泛应用于阀门与快门技术中。

Δ迟滞尽管压电陶瓷具有非常高的分辨率，但它也表现出迟滞现象，即压电陶瓷升压曲线和降压曲线之间存在位移差。

Δ蠕变蠕变是指当施加在压电陶瓷的电压值不再变化时，位移值不是稳定在一固定值上，而是随着时间缓慢变化，在一定时间之后才会达到稳定值，如右图所示。

一般10s 内蠕变量约为伸长量的1%~2%。

开环压电陶瓷具有迟滞及蠕变现象，可通过配置定位传感器进行闭环控制，消除压电陶瓷的迟滞与蠕变现象。

通过使用位置传感器和反馈控制回路消除压电陶瓷的迟滞及滞后现象，形变量与驱动电压成线性关系。