壓電陶瓷的靜態(tài)特性之壓電陶瓷的位移與出力
壓電陶瓷在恒力或者恒定質(zhì)量下,陶瓷被壓縮量的公式如下:
(1.1)
變化位移ΔL0的計算公式和無(wú)外力時(shí)是一樣的,見(jiàn)公式1.2。
(1.2)
如果施加的外力F的值過(guò)大,在沒(méi)有外加電壓的情況下,壓電陶瓷可能會(huì )發(fā)生退極化現象,這個(gè)影響主要取決于壓電陶瓷材料,我們可以通過(guò)施加電場(chǎng)的方式來(lái)對陶瓷重新極化,但施加外力F超過(guò)了陶瓷材料的限定值,陶瓷將不能被重新極化,還可能損壞內部的陶瓷薄片。因此,施加的外力不要超過(guò)陶瓷材料的臨界值。下圖為陶瓷在受到恒力的條件下,位移和電壓的關(guān)系。
圖1.1 在恒定負載條件下位移和電壓曲線(xiàn)
負載為恒力時(shí),壓電陶瓷將被壓縮,壓縮量取決于陶瓷的剛度及負載力的大小,施加標稱(chēng)電壓,壓電陶瓷在被壓縮后的基礎上伸長(cháng)標稱(chēng)位移。
ΔL≈ΔL0(kL/kA+kL)
ΔL:位移 ΔL0:標稱(chēng)位移
kL:負載的剛度 kA:壓電陶瓷剛度
圖1.2 無(wú)預載力低剛度負載條件下位移與電壓曲線(xiàn)
受到變力時(shí),壓電陶瓷的位移會(huì )有一定的損失,具體損失大小取決于外部彈簧的剛度。
Feff≈Fmax(kL/kA+kL)
Feff:有效出力 Fmax:最大出力
kL:負載的剛度 kA:壓電陶瓷剛度
要產(chǎn)生更大的出力時(shí),負載的剛度要大于陶瓷的剛度。
圖1.3 無(wú)預載力大剛度負載條件下位移與電壓曲線(xiàn)
另外,在有預載力的、低剛度負載的條件下,由于預緊力會(huì )像重物壓陶瓷一樣致使陶瓷被壓縮一定位移,且由于負載一定剛度的結構會(huì )使陶瓷損失部分位移。因此負載的剛度一定要比陶瓷的剛度小一個(gè)數量級。
圖1.4 有預載力低剛度負載條件下位移和電壓曲線(xiàn)
我們通過(guò)使用外加彈簧來(lái)產(chǎn)生變化的外力。因為彈簧的特性,外力隨著(zhù)陶瓷的位移的增加而增加。如果外力能被表示成:F =-CFΔL(CF為彈簧剛度)我們能得到下面的致動(dòng)器位移公式:
(1.3)
例如:給出的位移與沒(méi)有外力時(shí)的位移關(guān)系:
(1.4)
一部分位移用于克服外力,因此最終的位移將變小。如果致動(dòng)器的剛度和外部彈簧的剛度相等時(shí),致動(dòng)器僅將達到其正常位移的一半。
例:一個(gè)壓電陶瓷的剛度是CT=65N/μm。其位移ΔL0在沒(méi)有外力時(shí)為16μm。將這個(gè)陶瓷組裝在外部機構中以后,預載的剛度CF=0.1CT。對比式(1.4)該位移將減少為14.5μm。如果預載的剛度增加至致動(dòng)器剛度的70%,CF=0.7CT,CT=46N/μm,此時(shí)位移僅僅達到ΔL=9.4μm。
用公式(1.4),我們可以計算出有效力-陶瓷克服外部彈簧
(1.5)
?L0-沒(méi)有外部負載的位移;ΔL-有外部負載的位移。
例:一個(gè)壓電致動(dòng)器。在沒(méi)有外部負載時(shí)的位移為ΔL0,剛度為CT=65N/μm。外部彈簧的CF=64N/μm。在這種情況下致動(dòng)器的有效力為431N。當它外部的彈簧剛度50N/μm,有效力為F =379N。
變力作用到陶瓷上會(huì )造成整體位移的損失。壓電致動(dòng)器預載力是外力。預載力的值通常為致動(dòng)器最大負載的1/10。這樣陶瓷的位移損失比較小。而且有預載力的致動(dòng)器可以工作在一定拉力條件下,比較適合動(dòng)態(tài)條件下使用。
如果這個(gè)陶瓷致動(dòng)器位于兩墻之間(無(wú)窮大剛度)。那么陶瓷將不會(huì )產(chǎn)生位移(見(jiàn)公式1.2)。在這種情況下,致動(dòng)器產(chǎn)生最大出力為Fmax 這個(gè)力稱(chēng)之為出力。
計算公式如下:
(1.6)
在實(shí)際情況下,無(wú)限剛度的墻壁加持壓電致動(dòng)器是不現實(shí)的。出于這個(gè)原因致動(dòng)器不會(huì )在現實(shí)中達到其理論上的最大出力。另外,如果執行器產(chǎn)生了最大出力,那么它將不會(huì )產(chǎn)生位移。
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