电涡流位移计在压电复合圆盘微位移测量中的应用

　　1 引言

　　压电陶瓷在外电场作用下, 会产生机械变形, 这种现象称为逆压电效应[1]。压电陶瓷双晶片是由两片形状大小完全相同的压电陶瓷片对称粘贴在弹性梁的两侧,或直接粘贴在一起而形成的,压电双晶片是一种应用很广的压电元件,其突出优点是单位电压所产生的变形量大;它利用逆压电效应将电能转换为机械能,可以通过一个电信号而非机械量输入来产生所需的运动或位移,可以实现机电隔离[2],并且它还不受温度、振荡等外界环境的影响。

　　在图1(1)所示的复合圆盘结构中,上下两片压电陶瓷片方向相同极性相反, 如果中间金属电极四周固支,则在外电场的作用下,上下两片压电陶瓷在横向方向上会一个伸长一个缩短,二者所产生的差动作用将使整个复合圆盘产生向上或向下(根据电压的极性不同)的弯曲变形,如图1(2)所示,压电复合圆盘是一种理想的微位移系统驱动元件。

　　压电复合圆盘的尖端位移对外加电压非常灵敏,二者基本成线性关系。对于其微位移的测量,传统的方法是静态法, 即在不受夹持的压电晶片(保持应力为零)x方向上粘贴应变片, 测量晶片z 方向施加某一静电压 U时的应变,事实上压电晶片在通常电压作用下的变形非常小(通常量级为10- 6m),很难测量准确, 而且这种方法对应变片的粘贴要求非常高, 所以现在很少使用静态法[3]。本文介绍了一种非接触的测量方法,可以动态的测量和跟踪压电复合圆盘随外加电压变化而产生的尖端位移的变化。

　　2 位移测量装置

　　2.1 位移传感器的选择

　　位移传感器选择 ST-1 型电涡流传感器,电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移、振动传感器,可对进入其测量范围内的金属物体的运动进行精密地非接触测量。广泛应用于对大型旋转机械的轴的径向振动、轴向位移、轴转速、胀差、偏心、油膜厚度等进行在线测量和自动控制以及转子动力学研究和零件尺寸检验方面[4],并且还在不断扩展。

　　2.2 电涡流计标定

　　在使用电涡流计测量位移之前应先对其进行标定, 电涡流计对不同金属的灵敏度不同, 其标定实验装置如图2(1)所示,把表面涂有银电极的压电片粘贴在螺旋测微仪的顶端, 随着螺旋测微仪的精确定位, 记录传感器对应的输出电压值。每一组参数都重复实验 6 次,取其测量电压平均值, 测得位移与输出电压的对应关系数据如表1 所示,去掉实验坏点,用最小二乘法拟合　　出输出电压——位移的拟合直线, 其拟和方程为 V = -9.5953 δ-1.1047,取V- δ拟合直线中线性较好的部分, 就是电涡流计对压电陶瓷银电极敏感区域为图中拟合直线的最佳区域,如图2(2)所示。被测元件与电涡流计探头之间的间隙在 0.500~0.900mm 之间,输出电压在 -7V 左右。