压电陶瓷作动器静、动态特性的实验研究

　　随着超精密加工、超精密测量技术的发展,微幅、超微幅振动的影响变得十分突出,尤其是在亚微米级以下的超精密加工更需要超静环境作保障,而作动器的选择在很大程度上决定了整个隔振系统的性能[1].利用压电陶瓷材料构成的精密可控作动器是近几年发展起来的一项新技术,其工作原理是利用压电材料的逆压电效应,以输入电压来精密控制器件在一定方向上的输出位移量.逆压电效应型作动器具有位移分辨率高、位移线性度好、体积小、重量轻、无电磁污染和油污染等优点,已经成为一种较理想的精密电驱动作动器.

　　1　压电陶瓷作动器

　　1.1　逆压电效应

　　某些物质,当受到外力作用时,不仅几何尺寸发生变化,而且内部极化,表面上有电荷出现,形成电场;当外力消失时,材料重新回复到原来状态,这种现象称为压电效应.相反,如果将这些物质置于电场中,其几何尺寸也发生变化,这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象,称为逆压电效应.

　　1.2　压电材料

　　具有压电效应的材料称为压电材料.压电材料按晶体的性质可分为两大类.一类是压电单晶,石英是压电单晶中最有代表性的,应用广泛;另一类是压电多晶,它是以钛酸盐为基的多晶体陶瓷,一般称为压电陶瓷,如钛酸钡,锆钛酸铅等,这种材料在烧结后需经人工极化方能具有压电效应,现在使用最多的是PZT锆钛酸铅系列压电陶瓷.PZT是一材料系列,随配方和掺杂物的变化可以获得不同的性能.它具有较高的居里点(300~400℃)和很高的压电常数(70~590 pC/N),参见文献[2].本实验采用中国科学院上海硅酸盐研究所利用陶瓷流延成型技术和陶瓷膜/金属内电极共烧技术制作而成的多层片式、高含铅PZT系列压电陶瓷作动器,见参考文献[3],单个尺寸大小为:11 mm×11 mm×19 mm,共三只用于支撑精密隔振平台.

　　1.3　压电陶瓷作动器的工作原理

　　压电材料在受到外加电场和外加应力的共同作用时,其总的应变应是它们各自产生的应变之和.由实验测得它们满足如下关系式:

　　式中E为外加电场的场强;Σ为外加应力;D为电位移向量;Γ为产生的应变向量;J为当外加应力为零或常数时的介电常数矩阵;G和H为正、逆压电常数矩阵;S为E等于常数时的柔度矩阵.式(1)及式(2)通常称为第一类压电方程.

　　当压电陶瓷的正、逆压电效应的机电耦合系数相等时,压电陶瓷由电场产生应变和由应力产生电位移的效率是一致的,故H=GT.

　　为了使压电陶瓷具有压电效应,必须进行极化处理,即在一定温度下对压电陶瓷施加强电场(如20~30 kV/cm直流电场),经过2~3 h后,压电陶瓷便具备了压电效应,见文献[4].对于极化后的压电陶瓷,其正压电效应表达式为: