压电陶瓷厚度对硬度计力加载控制稳定度的影响

　　目前，虽然压电陶瓷力发生装置已成功应用于布氏硬度力加载系统，使硬度计力值加载的精度及稳定度达到了很高水平，但在国内压电陶瓷力发生装置的制作中有许多限制条件。例如，受现有的加工水平的限制，连同电极片在内的总体粘结高度不能太高，否则难以保证垂直度;单个陶瓷片厚度不应太薄，否则加工成品率太低等等。因此必需事先了解压电陶瓷片的厚度、直径以及层数等规格参数对硬度计力加载系统控制稳定性的影响，同时兼顾压电陶瓷片的加工以及粘结工艺水平，制作出最佳规格的适于硬度计力加载系统的压电陶瓷力发生装置。在先期的试验中已知：在布氏硬度试验力范围内，压电陶瓷片的层数对力值控制稳定度基本没有影响;而压电陶瓷片的层数越多，压电陶瓷力发生装置所能调节的负荷力越大。对于相同的负荷力，压电陶瓷片层数越多，在布氏硬度试验保荷期间内压电陶瓷力发生装置所需的最大激励电压越小。在实际中，为降低保荷期间内压电陶瓷力发生装置所需的最大激励电压或提高其所能调节的负荷力，在压电陶瓷力发生装置的制作中，通常的做法是尽量增加压电陶瓷片的层数，但陶瓷片层数的最大化又受陶瓷片厚度的限制。如果已知压电陶瓷片厚度对力值控制稳定度的一般影响作用，在压电陶瓷片其他参数一定的情况下，便可将压电陶瓷片的层数做到最大化。

　　压电陶瓷力发生装置的静态输出位移(δ伸缩量)与外加激励电压U和输出力P(负载力)的关系式表述为：

　　式中33ES 为压电陶瓷电极间短路时极化方向上的弹性柔顺系数，S、n、l分别为压电陶瓷片的面积、层数和厚度，d33为压电陶瓷的逆压电系数。

　　(1) 式两边对电压U进行求导，可以得到输出位移δ对激励电压的增长率，此值与负载力P、压电陶瓷的厚度l无关，而只与陶瓷片的的固有参数d33以及层数n有关。以上只是从理论上进行的简单分析，实际中压电陶瓷力发生装置的输出位移的影响因素很多，如最主要的电极和粘结剂的影响，但这些影响因素是无法从理论方面分析得到的。

　　1 试验原理与试验装置

　　试验中使用了两种不同厚度的压电陶瓷片制作的压电陶瓷力发生装置，压电陶瓷片材料为PZT-5，规格分别为φ50×φ8×1、φ50×φ8×2，均为40层。利用以上两种装置分别进行了1000kgf以下的布氏硬度试验力的加载控制，并对试验结果进行比较与分析，以定性确定压电陶瓷片的厚度对力值控制调节稳定度的影响状况。

　　由于压电陶瓷片较脆，不能承受较大的横向剪切力，所以在试验时对压电陶瓷叠堆后进行了封装，通过封装后上部的金属盖板与施力机构接触。试验中使用的压电陶瓷叠堆外形如图1所示。