压电叠堆在正弦电压激励下振动位移特性的研究

　　0　引言

　　近年来,利用压电叠堆的逆压电效应制成的微位移定位器以及微位移振动器得到了广泛的应用。随着科研的进一步深入,所要求的微位移振动器的振动频率越来越高,而压电叠堆激励电压频率对它的输出位移幅值大小具有重要影响,对压电叠堆的幅频特性进行测定对相关的试验研究尤其在微位移振动方面具有一定指导作用。生产厂家只是给出压电叠堆的一个大致谐振频率范围,很多文献也仅仅笼统地指出压电叠堆在高频电压激励下其输出位移会受很大限制,很难查到有关压电叠堆的振动位移特性尤其是高频下幅频特性的文献。

　　1　压电叠堆的工作原理

　　压电叠堆由多片压电陶瓷片胶合在一起,然后采用无磁不锈钢等材料作为外壳进行封装;多片陶瓷片机械上串联、电学上并联。当沿其极化方向施加电场时,其纵向伸长位移为

式中:X为压电叠堆的总位移长度;n为压电叠堆的晶片层数;δ为压电片厚度;E与V分别为沿晶片厚度方向所施加的电场强度和电压;d33为纵向逆压电系数,此系数除与压电陶瓷晶片材料的性质有关外,还与正弦激励电压的频率有关。由于压电陶瓷片的纵向振动、径向振动和封装外壳的振动等之间的耦合作用以及压电陶瓷片粘结工艺等方面的原因,使得压电叠堆输入与输出之间的关系变的更为复杂。本文内容主要是利用激光测振仪对压电叠堆在不同频率、幅值的正弦电压激励下的振动位移(峰峰值)进行测量,通过测量结果来研究压电叠堆的振动位移的特点。

　　2　实验装置与测试方法

　　试验用的压电叠堆分为52层和26层,其外形如图1所示;压电陶瓷片每片尺寸为Φ36 mm×1 mm,材料采用锆钛酸铅PZT-5型,压电层堆与无磁不锈钢壳体之间灌装隔振密封胶。使用的激光测振仪为Poly-tec,测量分辨力达10-9m。

　　由于受计算机数据采集系统的限制,压电叠堆正弦激励电压信号的频率上限为10 kHz,因而本试验未对更高频率下压电叠堆的振动位移特性进行必要的研究。

　　本试验的总体结构如图2。通过压电叠堆封装外壳底部的圆孔将其固定在1 t重的试验平台上,在叠堆的端面粘结玻璃微珠用以反射激光工作光束。由公式(1)知当压电叠堆受正弦电压激励时,它就会带动玻璃微珠按正弦规律振动,激光测振仪的工作光束与参考光束之间的光程差便会按正弦规律变化,通过软件解调激光测振仪两光束之间的光程差,便可得到压电叠堆相应的振动位移大小。压电叠堆激励电压的频率与幅值分别通过调节正弦信号发生器的输出频率(1～10kHz)和功率放大器的增益来改变。

　　3　实验结果与分析