压电叠层传感/致动器的特性研究

    智能主动构件是一种被广泛应用于航空航天、微机电产品中的新型结构。作为智能主动构件中的核心组成部分—压电叠层传感/致动器,其性能的好坏将决定整个智能主动构件的特性^[1～3]。本文给出了压电叠层传感/致动动器的设计原理,研制了空间柔性结构振动控制用的压电叠层传感/致动器;建立了其实验系统,并对动静态特性进行了实验研究与分析。

    1　压电叠层传感/致动器设计原理

    压电陶瓷材料具有正、逆压电效应,可用于制造智能主动构件的传感/致动器。在需要大的控制行程时,单片压电陶瓷的微位移量是有限的;多片压电片构成压电叠层,叠层中的压电陶瓷间采用电学并联,机械上串联的形式,由于并联形式可获得较大的位移行程,且驱动电压也较低,因而应用广泛。

    对于由n个几何、物理参数相同的压电片组成的压电叠层传感/致动器,在理想情况和相同电压驱动下,各压电片间不存在能量损耗,其输出位移δ_i和相位都是相同,因此压电叠层驱动器的总位移输出可认为是各压电片输出位移的线性叠加^[4,5],即

式中　F为压电堆上受到的力;V为施加压电片的电压;K_s=k_i/n,d_s=nd₃₃分别为压电叠层的等效静态刚度和等效压电系数;ki为压电片的刚度。

    同样,压电叠层传感器/致动器上产生的电荷量也存在线性叠加,即

　　Q=d_sF+C_sV               (2)

式中　C_s=nC_i为压电叠层等效电容;C_i为压电片的等效电容。式(1)、(2)分别是压电叠层传感/致动器的作动和传感方程,也是叠层传感/致动器的基本设计原理。

    2　压电叠层传感/致动器的实验特性研究

    压电叠层传感/致动器作为智能主动构件的核心组成部分,其工作特性决定于整个主动构件的动态性能。分别对叠层驱动器的静态刚度、电容、动态响应和静态输出位移,及传感特性等进行了实验研究。整个实验系统如图1所示。

    理想状态下,压电叠层传感/致动器的基本性能:零应力最大位移输出量为35.7μm,平均位移增益为0.178 5μm/V;零位移最大输出力为89.25 N,平均力增益0.446 N/V;平均等效静态刚度为Kf=2.499 N/μm。

    2.1　压电叠层传感/致动器静态刚度

    压电叠层的静态刚度不仅影响其工作特性,而且还影响到主动构件的等效力学刚度和输出位移;同时它还是智能主动构件中预压弹簧的选择依据之一,了解其静态刚度是掌握叠层传感/致动器性能的关键。图2、3是压电叠层在短路和开路状态下的输出位移与力、静态刚度关系曲线。通过对它们进行线性拟合,分别得到开路和短路时压电叠层驱动器的等效静态刚度K_开路=2.48 N/μm,K_短路=2.401 N/μm。由图可以看出,静态短路刚度小于开路刚度,这主要是由于短路状态下,压电叠层内部处于恒定零电场,此时应力对压电堆的作用只产生弹性变形,不能通过二次压电效应产生附加压电变形,即是说,不存在二次压电效应对弹性常数的影响。此时驱动器表现出纯机械特性,即刚度K_d=F/δ。而开路状态下,压电叠层不仅表现出机械特性,还表现出电学特性,在力F作用下,使得压电堆产生弹性变形;由于二次压电效应的作用,压电叠层的柔顺常数减小,刚度变大,此时其静态刚度由两部分组成,即K_o=K_d+K_c(K_d为力F作用下产生的机械刚度;K_c为压电驱动器受压状态下由极化电荷在压电堆上产生的附加刚度。)显然,短路刚度要小于开路刚度。