两种压电陶瓷微位移器的特性分析与实验对比

    1压电与电致伸缩效应

    电介质在电场的作用下，有两种效应:压电效应和电致伸缩效应。压电效应，即电介质在机械应力作用下产生电极化，电极化的大小与应力成正比，电极化的方向随应力的方向而改变。在微位移器件中，应用的是逆压电效应，即电介质在外电场作用下产生应变，应变大小与电场大小成正比，方向与电场方 向有关。电致伸缩效应，即电介质在电场作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。电介质在外加电场作用下应变与电场的关系为:

式中，dE为逆压电效应;ME²，为电致伸缩效应;d为压电系数(m/v);M为电致伸缩系数(m⁴c^–2);E为电场(v/m);S为应变。

    2压电陶瓷与电致伸缩材料

    2.1压电陶瓷

    压电陶瓷常用的材料是错钦酸铅和钦酸钡。由错酸铅和钦酸铅组成的多晶固溶体，全名称为错钦酸铅压电陶瓷，代号PzT，其特点是:

    a.灵敏度高，可达140~170nm/v·cm，输出功率大;

    b.机电藕合系数大，故机电换能效率高;

   c.材料性能稳定，老化性能在5年内小于0.2%;

    d.居里温度很高，可达300C，可作高温压电元件，它的使用范围在一40C~+300°C之间;

    e.在100v/mm以下的电场作用时，应变与电场大致成线性关系，在大电场作用下当电场升降时产生不可忽视的回线，如图1所示，该回线将引起伺服位移控制的困难

    2. 2电致伸缩材料

    电致伸缩材料最早是妮镁酸铅系(PMN), 1977年出现了具有大电致伸缩效应的弛豫铁电体组分(( 0. 9PMN-U. I PT )，它的居里点在0C附近。1981年又开发了三元系固溶体双弛豫铁电体(( 0. 4 5PMN-0. 36PT-0. l9BZN)，它具有良好的温度稳定性及大电致伸缩效应。它的介电常数、横向应变特性如图2所示.1982年四川压电与声光技术研究所首次研制成具有大电致伸缩效应的组分(L.aPZT-481 A )，其电致伸缩系数M33与0. 9PMN-0. 1 PT相同，温度系数比PNW更好，其特性曲线如图3所示。

    3 两种典型的压电陶瓷微位器性能对比

    根据逆压电效应和电致伸缩效应，用压电陶瓷和电致伸缩材料制成的微位移器件目前已得到广泛应用，如激光稳频，精密工作台的补偿，精密机械加工中的微进给以及微调等。用于精密微位移器件的压电陶瓷和电致伸缩材料，应具备以下特点:

    a.压电灵敏度高，即单位电压变形大;