压电陶瓷驱动器蠕变特性的研究

　　1引言

　　微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术之一。随着科学技术的发展，在航天、生物学、光学、微电子学等领域，都迫切地需要高精度的微动工作台。微动工作台多采用压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高、体积小、响应快、输出力大、不发热等优点，但其固有的迟滞、蠕变、非线性严重影响了它的应用[1-3]另外，压电陶瓷驱动器存在位移行程过小的缺点，一般不足20 μm的行程，而一般微操作都要求行程在100 μm以上。因而，很多微位移机构都采用杠杆式柔性铰链微位移放大机构，或利用几个压电陶瓷组成大行程驱动系统[4-5]，但是无论采用什么方式，在对位移进行放大的同时，也极大的加剧了压电陶瓷蠕变、迟滞和非线性对位移精度的影响。如本文实验研究所使用的基于三角形放大原理的压电陶瓷微位移工作台，驱动后6O S内的蠕变量最大达到了驱动位移量的2. 3%，严重影响了工作台的定位精度。压电陶瓷的蠕变特性就是当施加在压电陶瓷驱动器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，并在一定时间之后才会达到稳定值。这是由于电介质内部的晶格间存在内摩擦力，晶体中电畴开始转向时互相影响，而存在一定的变形滞后[6].

　　这种特性并不仅仅是压电陶瓷材料所独具，而是很多材料都具有这种特性，并且随着器件的老化，其对位移精度的影响也逐步增加。

　　目前，消除它的方法一般是在控制过程中采用闭环控制。这种模式需要一个附加的位移传感器来测定位移量，与控制器的目标位移进行对比校正，组成一个复杂的控制调整机构[7]。但是，由于位移检测元件的限制和控制元件频响等问题的影响，容易出现系统的震荡和不稳定，其补偿精度并不能很好的满足超高精度定位控制的要求。下述系列实验研究过修正补偿或有效控制减少压电陶瓷驱动器的蠕变对定位精度的影响。

　　2研究实验设计

　　2. 1实验目的

　　掌握压电陶瓷驱动器的蠕变特性，必须对单一驱动器的蠕变特性是否恒定、驱动器往返驱动时的蠕变特性是否一致、驱动器在不同工作区间的蠕变是否相同以及蠕变与驱动电压增量的关系等进行研究。

　　2. 2实验装置

　　实验装置如图1所示。本文采用HPV型压电陶瓷驱动电源。该电源可以实现和计算机之间的通讯，具有模拟、手动、SPP(并口)控制等多种控制方式。压电陶瓷驱动器的位移测量系统由TESA公司生产的TT80型电感测微仪来完成，其主要技术指标如下:分辨率为0.01μm;零点飘移小于士0.005%/℃;仪表的指示误差小于0. 15%。