压电陶瓷微位移性能分析

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。