航天压电陶瓷微位移作动器设计与实验研究

1998年第6期总第236期
导弹与航天运载技术
MISSI L ES AN D SPACE VEHIC L ES
No.61998
Sum No.236
航天压电陶瓷微位移作动器设计与实验研究Ξ
阎绍泽　吴德隆　黄铁球　张　永
(北京宇航系统工程设计部,100076)
摘要　机械精密作动器已经不能满足空间飞行器多方面的要求,因而利用压电陶瓷材料的正逆压电效应,设计制造了一种高调准精度的微位移作动器,并对其
进行了实验研究。

实验结果揭示了压电作动器用于空间飞行器部件的定位和抑制
振动的优良性能,为进一步完善作动器的设计和在航天领域的推广应用提供了理
论基础。

主题词　位移控制器,航天器,压电陶瓷,振动控制。

Design and Experiment for a Piezo2Ceramic
Micro2Displacement Actu ator on Spacecraft
Yan Shaoze　Wu Delong　Huang Tieqiu　Zhang Y ong
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering,100076)
Abstract　A novel micro2displacement actuator with very high precision posi2 tioning has been developed by use of oppose and positive piezo2electric effects of piezo2 ceramics materials because mechanical micro2displacement actuators cannot meet de2
mands of a spacecraft.A set of measuring system has been built,and properties of the
actuator are experimented.The experiment result shows good properties of the actua2
tor in precision positioning and vibration suppressing.The theoretical and experimen2
tal basis for design and extensive application of a micro2displacement actuator in
spacecraft is provided.
K ey Words　Displacement controller,Spacecraft,Piezoelectric ceramic,Vibra2 tion control.
1　前　言
随着科学技术的不断发展,特别是宇航技术的推动,太空光学装置或仪器常要求精密调节光角度、光程,需要微定位及微调节技术。

通常采用带有丝杠的机械装置,利用电机或其它
Ξ收稿日期:1998202226
本课题由中国航天工业总公司博士后科学基金、国家自然科学基金和国家863高技术项目基金资助
机电换能装置驱动,将大的行程缩小,此类装置费用很昂贵。

特别是机械装置不可避免地存在蠕动和空程,使得其分辩率有限,所提供的位移精度一般不超过1μm。

因此,机械精密作动器已经不能满足空间飞行器新的精度要求。

Smart材料的出现,为空间飞行器的精密位移作动器提供了新颖的设计思路。

压电材料由于其优良的性能,越来越受到航天部门的重视。

采用压电材料制造的作动器体积小,结构紧凑,精度高且具有可遥控的特点,已在航天产业的诸多领域得到了应用。

对该项技术进一步进行研究和开发,有望解决许多空间飞行器设计的难点问题,如消除火箭、导弹系统平台传感器的振动环境,消除太空桁架中的铰间隙,改变结构中的预紧力,空间站上抛物面天线的精确定位等难点问题。

目前,美国等发达国家已将这类作动器用于战斗机、天基武器系统、空间站等飞行器的研究开发,预计在21世纪Smart材料与结构将引发新的科技变革。

2　微位移作动器工作原理及设计
2.1　工作原理
压电陶瓷具有产生与机械压力成正比的电荷能力,称之为正压电效应;产生与形变成正比的形变效应,称之为逆压电效应,其材料的本构关系为
D=d t T+εT E(1)
S=s E T+d E(2)
式中　D为电位移(电荷/面积);D=[D1　D
2
　D3]t;S为应变;E为电场强度;T为应
力;εT为介电常数矩阵,εT ij=[5D i
5E j]T;s E为柔度矩阵;d为压电常数矩阵,d ij=[
5S j
5E i]T=
[5D i
5T j]E。

文中约定上标t表示转置,上标T表示该量以恒值(或零值,也称之为自由状态)应
力时的结果,上标E表示该量以恒值(或零值,也称之为短路)电场时的结果。

对于压电材料,作动应变与作用电场的关系为
S=0000d150
000d1500
d31d32d33000
er　p
ac
t E
1
E2
E3
t r　
(3)
对于在其厚度方向极化的薄片型压电陶瓷,在电场作用下,其厚度的相对变化与施加电场强度的关系可简化为
Δl=d
33
V(4)式中　V为施加陶瓷片上的电压(V);d33为陶瓷的压电常数,一般大约在6×10-12m/V 量级。

由压电材料制造的压电式作动器系电驱动元件,该元件无需旋转部件,而是利用压电效应改变其尺寸。

在压电式作动器上施加不同的电压,其长度将有所改变。

其变化范围可从几分之一微米直到毫米的量级,最大伸长量以及作动器最大输出力取决于元件的结构。

从理论上说,压电元件的分辨率是没有限制的,而且仅取决于所实施电压的稳定性,电压的每一变化都将直接转换成作动器的线性移动,能量损耗极小。

因此,特别适合于在航天器中应用。

62 导弹与航天运载技术 1998年
2.2　作动器设计
航天主动元件(或称多功能结构)一般由传感器、作动器
、控制器和主体结构组成,其中作动器设计是主动元件设计的关键环节之一。

对于精密结构的控制,无需大的冲程与作用力,故可采用压电陶瓷材料PZT 制作作动器。

在需要较大控制行程时,单片压电陶瓷的微位移量有限,需要采用多片叠加构成压电陶瓷叠层。

压电叠层中的压电陶瓷片之间一般可采用电极串联或并联形式。

并联可以获得大的电荷灵敏度或微位移行程,用较低的控制电压获得较大的位移量;串联结构可增加元件灵敏度。

图1为压电陶瓷叠层作动器。

作动器由控制器通过电压放大器进行驱动,当电压作用在作动器叠层上时,使作动器长度发生改变,同时诱发了结构应变,产生了控制力,其大小由作用于叠层上的电压决定。

(a )电学串联 (b )电学并联
图1　压电陶瓷叠层作动器的构成
为了在较低的电压下获得较大的变形量,作动器必须采取多层叠片式结构,将压电陶瓷片一片片叠起来,采取机械串联、电学并联的方式组成压电陶瓷组件。

一旦加上电压,电场
指向极化方向,就会导致每个陶瓷片变厚,使整个陶瓷片组伸长,其总伸长量ΔL 为
ΔL =nd 33V (5) 由上式可以看出,采用不同的片数n 可得到不同伸长的作动器。

图2为本文设计制造的
作动器结构简图。

该作动器由压电陶瓷组件、移动头、外壳和电极引线等组成,施加电压后,移动头沿外壳轴向伸长。

作动器的初始设计要求为:最大正向驱动电压1000V ,最大位移不小于50μm ;也可采用±500V 得到±25μm 微位移。

根据这些初始参数,经设计计算确定的压电陶瓷叠层作动器设计参数列于表1。

表1　压电陶瓷叠层作动器设计参数
参数
量值
参数
量值
PZT 圆片直径d
10mm PZT 圆片厚度
1.0mm 叠层中PZT 片数n
84片密度ρ7.5×103kg/m 3杨氏模量E
3.6×1010N/m 2
压电系数d 33
700×10-12
m/V
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2第6期 阎绍泽等　航天压电陶瓷微位移作动器设计与实验研究
图2　作动器结构示意图
制造压电作动器的原材料为PZT 压电陶瓷(用于制造作动器叠层)、不锈钢(用于制造作动器外壳)、银(用于制作电极)、绝缘材料(用于压电叠层与外壳之间的绝缘)。

3　压电作动器的实验研究
3.1　单片压电陶瓷的实验研究
图3为单片压电陶瓷动态实验框图。

实验系统由信号发生器、频率计、毫伏表等组成。

由实验框图可以看出,调节信号发生器的频率f ,压电陶瓷片的阻抗就要发生变化。

因为R 1与压电陶瓷片串联,因此R 1上的电压也发生变化。

这个变化可以通过并联在R 1上的毫伏表读出来。

实验目的在于测出压电陶瓷片在正弦信号作用下的幅频特性,测试数据见表2。

根据这些数据采用三次样条函数拟合绘出作动器的幅频特性曲线(见图4)。

从图中可以看出,150Hz 以内幅频特性变化基本平稳,近似为线性关系。

图3　单片压电陶瓷动态实验框图 图4　用三次样条函数拟合的曲线 利用上述实验系统及所测试的实验数据可以得到单片压电陶瓷的谐振频率f r 和反谐振频率f a 。

图3所示实验系统也是测试压电陶瓷的谐振频率f r 和反谐振频率f a 的传输电路。

当单片压电陶瓷作动器阻抗最小时,电流出现最大值,相应的毫伏表读数也为最大值;当单片压电陶瓷作动器阻抗最大时,电流出现最小值,相应的毫伏表读数也为最小值。

因此,可
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2 导弹与航天运载技术 1998年
根据毫伏表指示,采用频率计确定压电陶瓷的谐振频率f r 和反谐振频率f a 。

由表2和图4可以看出,在频率为199kHz 时,毫伏表的电压最大值达到862mV ;当频率调节到248kHz 时,毫伏表读数最小值为5.6mV ;由此确定单片压电陶瓷的谐振频率为199kHz ,反谐振频率
f a 为248kHz 。

表2　幅频特性测试数据
频率/kHz 102030405060708090幅值/mV 2133548293122145165190频率/kHz 100150199200210220248250300幅值/mV
214
381
862
860
683
385
5.6
198
210
3.2　微位移作动器实验研究
图5为微位移作动器实验系统框图。

实验系统由电容位移测量仪、电压放大器和电压
表等组成。

实验时,放大器输出直流高压驱动作动器产生位移。

从零伏起,间隔50V 记录一次作动器位移变化量。

加压到1000V 后,再降压记录作动器位移量,间隔仍为50V ,直到降压到0V 为止。

位移变化量由电容位移测量仪直接读出,测试数据见表3,图6为根据实验数据绘出的实验曲线。

图5　静态实验框图 图6　作动器位移变化实验曲线测试结果表明本文研制的作动器达到了初始设计参数要求:在最大驱动电压为1000V 时,作动器位移达到了54.7μm 。

根据表3和图6可以看出,当电压由小增大和从大到小时,作动器位移值在各点相异,且不回零。

在全长测量范围内,取差别的最大值为滞后量h 。

由表3可知,正向加减压时的h =11.1μm ,需说明的是滞后量中也包含了仪器自身的漂移误差。

航天用作动器要求有较高的重复精度和较好的稳定性。

为了进一步了解压电微位移作动器上述性能,又进一步做了两项实验:重复精度实验和稳定性实验。

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2第6期 阎绍泽等　航天压电陶瓷微位移作动器设计与实验研究
3.2.1　重复精度实验
在施加电压过程中取10个点,对每个点进行5次重复加压2回零实验,计算每个加压点的最大值,然后取10个差值最大者的二分之一,前面冠以正负号,以此作为重复精度。

实验数据见表4,由此得到微位移作动器的重复精度为±0.1μm 。

表3　压电作动器正向加减压位移变化量
序号
激励电压
U i /V
加压位移δ/μm
减压位移δ/μm
序号
激励电压
U i /V
加压位移δ/μm
减压位移δ/μm
100 1.71255028.037.8250 1.6 5.81360031.040.23100 3.79.41465033.842.44150 5.813.21570037.044.452008.016.81675040.046.5625010.620.11780042.648.5730013.023.41885045.850.4835015.826.51990048.852.2940018.529.62095051.753.81045021.732.421
1000
54.7
54.7
11
500
24.9
35.1
表4　重复精度测量数据/μm
序号
电压/V
100
20030040050060070080090010001 3.78.013.018.624.931.037.042.648.854.62 3.88.013.018.524.830.936.842.648.954.83 3.78.113.118.624.931.036.942.648.854.74 3.88.013.118.524.830.036.942.648.754.65
3.7
8.0
13.0
18.5
24.9
30.9
37.0
42.6
48.8
54.6
3.2.2　稳定性实验
取10个点,当施加电压于其中一个点时,将对应的位移记录下来,以后每隔30s 读一次数据,直到测微仪的显示值完全稳定下来为止。

取5个点中最大漂移量作为稳定性能的参考指标,实验数据列于表5。

由此得作动器最大漂移量为0.1μm 。

3 导弹与航天运载技术 1998年
表5　稳定性能测试数据/μm
时间/s
电压/V
100
200300400500600700800900100030
3.78.013.018.62
4.931.037.042.648.854.660 3.78.013.018.624.931.037.042.648.854.690 3.78.013.118.724.931.037.142.748.954.7120 3.78.113.118.72
5.031.037.142.748.954.7150 3.78.113.118.725.031.037.142.748.954.7210
3.7
8.1
13.1
18.7
25.0
31.0
37.1
42.7
48.9
54.7
4　结　论
利用压电材料的正逆压电效应,本文提出了一种新颖的航天用微位移作动器,系统地分析了该作动器的特点,给出了这类作动器的设计方法,并建立了实验系统,进行了实验研究。

实验研究结果证明作动器的线性度、稳定性、回零性的滞后量均符合作为空间飞行器中的执行元件的一般要求,可用于消除连接间隙和精确定位的微进给装置。

利用这类微位移作动器,可进行空间伸展机构精密定位和振动抑制,提高其运行的可靠性;亦可进行导弹武器系统中的自适应减振控制和发射装置中部件自适应精确定位,提高战略武器系统的作战能力和生存能力。

对微位移作动器的研究,将为新一代空间飞行器的工程设计提供理论基础和分析手段。

参　考　文　献
1　吴德隆.航天Smart 结构与材料的开发与进展———21世纪航天技术展望.导弹与航天运载技术,1996
(4):1～13
2　阎绍泽,吴德隆.空间飞行器自适应结构技术.导弹与航天运载技术,1997(6):24～353　阎绍泽,吴德隆,黄铁球.天基防御系统中的自适应结构技术.现代防御技术,已录用
4　Crawley E F ,de Luis J .Use of piezoelectric actuators as elements of intelligent structures.AIAA J.,1987,
25(10):1373～1385
5　Onoda J ,Watanabe N.Vibration su ppression by variable 2stiffness members.AIAA J.1991,29(6):977～
983
6　Salama M ,Umland J ,Bruno R ,G arba J.Ada ptive adjustment of a precision truss structure :experimental
validation.AIAA -93-1681-CP.1993:3217～3225
7　栾桂冬,张金译,王仁乾.压电换能器和换能器阵(上/下册).北京:北京大学出版社,1990209.
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3第6期 阎绍泽等　航天压电陶瓷微位移作动器设计与实验研究 。