авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ПАНИЧ А.Е.

ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ АКТЮАТОРЫ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону

2008

УДК

Печатается по разрешению Ученого Совета

факультета высоких

технологий Южного Федерального Университета

Рецензенты: профессор В.П. Буц

доктор физико-математических наук, профессор В.Ю.

Тополов

Панич А.Е.

Пьезокерамические актюаторы, 2008. 159с.

Учебное пособие составлено на основе материалов курса лекций, подготовленных авторами для чтения на кафедре «Информационно измерительная техника и технологии» факультета высоких технологий ЮФУ в рамках магистерской программы «Пьезоэлектрическое приборостроение».

Предназначена для магистров, аспирантов и практических специалистов, работающих в области создания прецизионных устройств в таких областях науки и техники, как оптика, фотоника, нанометрология, микробиолигия, медицина, компьютерная техника, полупроводниковое производство и микроэлектроника, точная механика, автомобильная и авиакосмическая промышленность.

1. ВВЕДЕНИЕ Первое коммерческое использование обратного пьезоэффекта произошло во время Первой мировой войны, когда были созданы первые сонары. В 1940 году ученые обнаружили пьезоэлектрические свойства у титаната бария. В начале 70-х годов 20 века были созданы пьезоактюаторы, получившие коммерческий спрос.

Для описания преобразования пьезоматериалами электрического сигнала в механическую реакцию в начале 80-х годов прошлого века был введен термин «пьезомеханика».

Пьезоактюатор пьезомеханическое устройство, предназначенное для приведения в действие механизмов, систем или управления ими на основе пьезоэлектрического эффекта.

Отдельный пьезоэлемент, имеющий два электрода, подобен «пьезоконденсатору». Когда к нему приложено электрическое напряжение, он деформируется. Таким образом, пьезоактюатор представляет собой как бы «подвижный конденсатор».

Пьезоактюаторы преобразовывают электрические сигналы (напряжения или заряда) в механическое перемещение или силу.

Диапазон рабочих частот пьезоактюаторов варьируется от статического состояния до половины резонансной частоты механической системы. Следует отметить, что есть отдельный класс актюаторов, которые работают именно на резонансных частотах, известные как ультразвуковые преобразователи. Они преобразуют электрическую энергию в механическую. Этот специфический тип актюаторов в данной работе не рассматривается.

В зависимости от используемого пьезоэлектрического материала пьезоактюаторы могут быть пьезокристаллическими (на базе монокристаллов) и пьезокерамическими (на базе поликристаллов - пьезокерамики). На практике пьезокерамические актюаторы нашли более широкое применение. Поэтому им в данной монографии будет уделено основное внимание.

1.1 Основные виды пьезокерамических актюаторов На сегодняшний день существует большое количество разнообразных типов и видов пьезокерамических актюаторов, но не существует единой международной классификации.

В зависимости от используемых направлений пьезоэффектов, конструкции, предназначения и т.п. их условно можно свести в следующие основные группы:

Пакетные (линейные) пьезоактюаторы – наиболее широко используемые. В свою очередь они делятся на разнообразные типы, например, низковольтные и высоковольтные, корпусные и бескорпусные многослойные дискретные и многослойные монолитные и т.д. Пакетные актюаторы могут генерировать силу огромной величины - 100 килоньютон и более. Максимальный ход не превышает 500 мкм. Для защиты пьезокерамического пакета они выполняются в металлических корпусах со встроенной системой предварительного механического напряжения.

Трубчатые пьезоактюаторы – в основе принципа работы лежит явление сужения внутреннего сечения полого пьезокерамического цилиндра. В основном применяются в сканирующих микроскопах и микронасосах.

Защемляемые изгибные пьезокерамические биморфы и мультиморфы. Отличительной особенностью актюаторов такой конструкции является их специфическое крепление (защемление).

Данная конструкция обеспечивает значительные перемещения в миллиметровом диапазоне, но при низкой жесткости, малой блокирующей силе и резонансной частоте. В зависимости от формы такие актюаторы бывают пластинчатыми и дисковыми.

Сдвиговые пьезоактюаторы способны генерировать большую блокирующую силу при значительном сдвиге. Находят применение в качестве пьезоэлектрических линейных моторов, а также как одноосевые и двухосевые позиционирующие элементы.

Ламинарные полосковые пьезоактюаторы (актюаторы сжатия). Активный материал этих актюаторов представляет собой полоски пьезокерамики. Сдвиг в таких актюаторах происходит в направлении, перпендикулярном направлению поляризации и приложенному электрическому полю.

Актюаторы с интегрированным рычажным усилителем перемещения предназначены для обеспечения субнанометрического разрешения при увеличенном перемещении.

Управляемые пьезофлексерные актюаторы – представляют собой сложные позиционирующие устройства на базе пьезоактюатора с интегрированным в него флексером. Применяются в тех случаях, когда требуется получить исключительно прямое перемещение по одной и более осям (до шести осей) с нанометрическим отклонением от идеальной траектории. Такие устройства часто используют с рычажным усилителем перемещения, что позволяет увеличить максимальный ход пьезоактюатора почти в 20 раз, в результате чего он может составлять несколько сотен микрон.

1.2 Преимущества пьезактюаторов, как приводов Не лимитированные возможности по разрешению – пьезоэлектрические актюаторы преобразуют электрическую энергию непосредственно в механическую. Они способны осуществлять перемещение в субнанометрическом диапазоне Скорость срабатывания – в диапазоне микросекунд.

Развитие больших сил – существующие на сегодняшний день мощные пакетные актюаторы способны перемещать конструкции весом 100 и более тонн на 250-500 микрон с минимальным шагом (чувствительностью) 0,05 – 0,1нм.

Отсутствие магнитного поля - действие актюаторов связано с электрическими полями. Они не генерируют магнитные поля, а также не подвержены влиянию таковых. Это особенно важно при использовании в оборудовании, где недопустимы электромагнитные помехи.

Низкое потребление энергии – в статическом состоянии, даже под воздействием больших нагрузок, актюаторы не потребляют энергию. Действие пьезоактюаторов очень схоже с электрическим конденсатором. В состоянии покоя также не выделяется тепловая энергия.

Не подверженность износу - в конструкции пьезоактюаторов нет шестерен или подшипников. Их перемещение обусловлено динамикой твердого тела. На практике не выявлен у пьезоактюаторов какой-либо износ после нескольких миллионов рабочих циклов.

Возможность работы в экстремальных условиях – пьезоактюаторы не требуют смазки, а пьезоэлектрический эффект присутствует даже при низких температурах. Существуют пьезоактюаторы, способные работать при криогенных температурах.

А новые типы актюаторов с керамической изоляцией идеальны для работы в условиях сверхвысокого вакуума.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Глоссарий 2. Актюатор – механическое устройство, предназначенное для приведения в действие механизмов, систем или управления ими с использованием генерируемой силы или движения (перемещение).

Блокирующая сила – максимальная сила, генерируемая актюатором, заблокированного путем жесткого неподатливого удержания.

Гистерезис – свойство физической системы не реагировать мгновенно на приложенное воздействие или не возвращаться полностью в свое исходное состояние. Гистерезис в пьезоактюаторах определяется поляризацией кристаллической решетки и молекулярными эффектами, происходящими при смене направления перемещения рабочего тела актюатора. Гистерезис не следует путать с «мертвым (холостым) ходом».

Динамика пьезоактюатора – понимается, как его приемистость.

Домен – зона электрических диполей с одинаковой ориентацией.

Дрейф - нежелательное изменение в параметрах перемещения со временем.

Жесткость – постоянная для пьезоэлектрических материалов, нелинейная величина.

Керамика – поликристаллический неорганический материал.

Контроль траектории – меры по предотвращению отклонения актюатора или актюаторной системы от заданной траектории. Может быть пассивным (гибкое управление) или активным (т.е.

использование дополнительных активных осей) Коэффициент пропорциональности пакетных актюаторов отношение длины пьезопакета к его диаметру. При изготовлении пакетных актюаторов обычно используется коэффициент пропорциональности 12:1.

Крип – см. Дрейф.

Критическое отношение актюатора – отношение длины актюатора к его диаметру надо путать с коэффициентом (не пропорциональности). Во избежание изгиба актюатора оно должно быть не более 15-20.

Максимальная нагрузка пьезоактюатора – компрессионная сила, при которой актюатор показывает снижение эксплуатационных характеристик ниже уровня характеристик ненагруженного актюатора. Монолитные многослойные актюаторы – актюаторы, изготовленные по технологии многослойных керамических конденсаторов. Слои керамического материала и электроды спекаются одновременно. Толщина слоя находится в пределах 20 100мкм.

Параллельная кинематика – все актюаторы действуют на одной подвижной платформе. Преимущества: более компактная конструкция, более низкий центр тяжести, отсутствие подвижных кабелей, отсутствие суммарных ошибок блоков управления.

Параллельная метрология – каждый датчик обратной связи измеряет координаты в соответствующей степени свободы одной движущейся платформы с актюаторами. Это обеспечивает контроль внеосевого выдвижения всех актюаторов внутри сервоуправляемого контура. Причем это может проходить автоматически (активное управление).

Повторитель – линейный (пакетный) актюатор Податливость – величина перемещения на единицу силы, обратная величине «жесткость»

Последовательная кинематика – в отличие от параллельной кинематики каждый актюатор действует на своей подвижной платформе. В этом случае существует прямая зависимость между актюаторами и осью. Преимущества: более простая сборка, проще алгоритм управления. Недостатки: динамические характеристики хуже, невозможность использования интегрированной «параллельной метрологии», возникновение суммарных ошибок управления, ниже точность позиционирования.

Последовательная метрология – каждый датчик обратной связи, измеряющий координаты своего актюатора в соответствующей степени свободы, должен иметь сервоуправление. Неблагоприятные внеосевые колебания (ошибки управления) от других осей в направлении данного датчика, приводят к сбоям и ошибкам в управлении. Это обеспечивает внеосевое выдвижение всех актюаторов внутри сервоуправляемого контура. Причем это может проходить автоматически (активное управление).

Пьезоактюатор - пьезомеханическое устройство, предназначенное для приведения в действие механизмов, систем или управления ими на основе пьезоэлектрического эффекта.

Пьезокатриджи – низковольтные пакетные актюаторы для фронтального резьбового крепления.

Пьезомодули направления - в пьезомеханике это пьезомодули d33 и d Работа в разомкнутой цепи – актюатор работает без датчика позиционирования. Перемещение рабочего тела актюатора пропорционально управляющему напряжению. Крип, нелинейность и гистерезис не компенсируются.

Работа в режиме обратной связи – перемещение актюатора корректируется с помощью серво-контроллера, компенсирующего нелинейность, гистерезис и крип.

Разрешение актюатора – минимально возможное перемещение рабочего тела актюатора на единицу управляющего напряжения.

Токовый Коэффициент при Динамической Работе (ТКДР) – это ток, который должен обеспечивать усилитель для перемещения пьезоактюатора на единицу его хода при частоте 1 Гц.

Точка согласованной работы пьезоактюаторной системы условия, когда механическая энергия максимально эффективно передается от пьезоактюатора ведомой механической системе.

Флексеры – это устройства, не имеющие трения и стрикции, принцип работы которых основан на эластичной деформации (флексинге) твердого материала, например, стали.

Ход актюатора (перемещение, шаг, сдвиг) - изменение длины пьезоактюатора под воздействием управляющего напряжения.

Чувствительность пьезоактюатора к позиционированию - это минимальное напряжение помехи, при котором происходит крайне незначительный механический сдвиг.

2.2 Условные обозначения и единицы измерения, принятые в пьезомеханике A Площадь Surface area [m] (meter) Коэффициент температурного линейного расширения Coefficient of Thermal Expansion (CTE) [K-] C Емкость Capacitance (F) [A • s / V] Диаметр пьезоэлемента Diameter of ceramic element [m] D dij Пьезомодули Piezo modulus (tensor components) [m/V] Величина смещения центра пьезоэлемента Deflection of dd piezoelement [m] Высота, толщина пьезоэлемента Height, thickness of piezoelement h [m] Ход, связанный с силой воздействия пружины Stroke associated with hL spring force [m] Диэлектрическая постоянная Dielectric constant [A • s/V • m] E Напряженность электрического поля Electric field strength [V/m] f Рабочая частота актюатора [Гц] Operate frequency [Hz] Резонансная частота нагруженного актюатора [Гц] Loaded resonant fr frequency [Hz] Резонансная частота пьезокерамического элемента (при fm минимальном импедансе) без нагрузки Unloaded resonant frequency [Hz] FC Постоянная сила Constant Force [N] FL Сила воздействия нагрузки (пружины) Load (Spring) Force [N] FB Блокирующая сила Blocking Force [N] Ускорение свободно падающего тела Acceleration due to gravity:

g 9.81 m/s Ток Current [A] I Жесткость нагрузки (постоянная пружины) Stiffness of load (spring KL constant) [N/m] KE Жесткость пьезокерамики Stiffness of piezo ceramic [N/m] l Длина Length [m] Длина актюатора в отключенном состоянии Length of non-energized l actuator [m] Изменение длины (ход) актюатора Change in length (displacement) l [m] Номинальный ход без нагрузки Nominal displacement with zero l applied force, [m] lN Ход с нагрузкой Displacement with applied force, [m] m Масса Mass [kg] Количество пьезоэлементов (слоев) в пакете Number of sheets n (layers) in the stack Частотный коэффициент продольной моды пьезокерамики NL Longitudinal Frequency constant [Hz • m] Частотный коэффициент толщинной моды пьезокерамики NT Thickness Frequency constant [Hz • m] Частотный коэффициент планарной (радиальной) моды NР пьезокерамики Planar (Radial) Frequency constant [Hz • m] P Мощность Power [W] pB Величина блокирующего давления Blocking Pressure (Pa) Q Заряд Charge [C] (coulomb = ampere x second) Деформация (относительное изменение длины l/l) Strain [iL/L] S (безразмерная величина) Упругая податливость (при постоянном электрическом поле) Elastic sEii Compliance [m/N] Время Time [s] t Tc Температура Кюри Curie temperature [°C] U Напряжение Voltage [V] Up-p Напряжение полной амплитуды Peak-to-peak voltage [V] V Электрический потенциал [V] vol Объем смещения Volume of displacement [m3] w Ширина Width [m] 2.3 Пьезомеханические эффекты и направления Принцип работы пьезокерамических актюаторов основан на деформации электроактивной ЦТС пьезокерамики, когда она помещается в электрическое поле. Эта деформация может использоваться как для осуществления перемещения, так и для генерирования силы.

В силу анизотропной природы пьезокерамики пьезоэлектрические эффекты зависят от направления. Для определения направлений принято: оси 1, 2 и 3 соответствуют осям X, Y и Z в классической координатной системе правой руки. Оси 4, 5 и определяют вращение (сдвиг), X, Y, Z (также известны, как U, V и W).

Направление поляризации вдоль оси 3 (Z) устанавливается в процессе поляризации в сильном поле. Для пакетных (линейных) актюаторов свойства пьезокерамики вдоль оси поляризации являются определяющими (наибольшее перемещение).

Как известно, пьезокерамические материалы характеризуются несколькими коэффициентами: диэлектрической проницаемости, электромеханической связи, зарядовыми коэффициентами (по напряжению), пьезомодулями и модулями Юнга. Эти пьезоэлектрические коэффициенты часто представляются как константы для данного типа материала. Они описывают свойства материалов только в условиях работы при слабых сигналах. Но они меняются в зависимости от изменения температуры, давления, электрического поля, конструкции актюатора и т.д.

Рис. 1 Ортогональная система, описывающая свойства поляризованной пьезокерамики.

Направление поляризации совпадает с осью 3.

Все пьезокерамические актюаторы с точки зрения направления пьезоэлектрических эффектов условно можно разделить на три основные группы:

- осевые актюаторы (d33 -мода) - поперечные актюаторы (d31 -мода) - изгибные актюаторы (d31 -мода) Осевой актюатор воспринимает сигнал, приложенный параллельно направлению поляризации пьезокерамического элемента и создает полезную реакцию – удлинение – в том же направлении (направление 3 вход / направление 3 выход, или мода d33).

Пьезокерамический элемент последовательно удлиняется по высоте по мере увеличения приложенного напряжения. Поперечный актюатор воспринимает сигнал, приложенный параллельно направлению поляризации пьезокерамического элемента и создает полезную реакцию – сокращение – в направлении перпендикулярном направлении поляризации (направление 3 вход / направление 1 выход, или мода d31). Пьезокерамический элемент последовательно укорачивается по длине по мере увеличения приложенного напряжения.

Изгибной актюатор сконструирован как двухслойный пьезокерамический элемент и подобно поперечному актюатору работает по моде d31, но его гибкая конструкция позволяет производить значительно большее перемещение.

Осевые, поперечные и гибкие актюаторы могут также подразделяться в зависимости от сложности их конструкции на: простые, состоящие из одного пьезоэлектрического элемента, и сложные актюаторы, составленные из множества пьезоэлектрических элементов пакетированных вместе и включенных параллельно.

Осевые и поперечные актюаторы обладают высокой жесткостью, и оптимальны для малых перемещений и развития больших сил. Изгибные актюаторы используются тогда, когда требуются значительные перемещения.

Составные структуры, такие как пакетные актюаторы, не говоря уже о пакетных актюаторах с предварительным механическим напряжением или пакетированных актюаторных системах, не могут быть описаны полностью с помощью только вышеуказанных пьезомеханических эффектов и свойств пьезоматериалов.

Если ход одиночного пьезокерамического элемента обычных размеров (порядка нескольких миллиметров) измеряется в микронах, то для нескольких таких элементов, собранных вместе в пакет, ход увеличивается. Максимальная деформация (отношение хода к высоте пакета) для пакетного актюатора может составлять от 0,15% до 0,2% высоты пакета.

Пакетные (линейные) актюаторы состоят из плотного столбика (пакета) отдельных, контачащих друг с другом, слоев пьезоэлектрической или электрострикционной керамики. Обычно слои керамики имеют форму дисков, прямоугольных пластин или колец. В них используется деформация пьезокерамики в направлении приложенного электрического поля, так называемой толщинной моды (d33-эффект).

Рис.2 Конструкция пакетного пьезоактюатора.

Подобно пьезоэлементу, в пакетном пьезоактюаторе увеличение пьезокерамического слоя по толщине сопровождается плоско параллельным сжатием, называемое деформацией планарной моды (d31-эффект), которое является второстепенным движением и показывает приблизительно половину линейной деформации (d33 эффекта). Деформация планарной моды обычно используется в актюаторах сжатия, изгибных актюаторах (юниморфы, биморфы и т.п.), а также в пьезокерамических полых цилиндрах.

Если к актюатору приложить напряжение, то он произведет перемещение. Когда перемещение заблокировано, он генерирует так называемую блокирующую силу, которая фактически определяет жесткость актюатора. В связи с этим, производители пьезоактюаторов пользуются также специфическими параметрами, такими как:

жесткость актюатора, нагрузочная способность, шаг (сдвиг), резонансная частота и т.п. Эти специфические параметры определяются путем индивидуальных измерений. Как правило, производители указывают основные из них. Важно иметь в виду, что нет международных стандартов, определяющих какие параметры производитель должен указывать в спецификациях на пьезоактюаторы. В связи с этим, указываются не все специфические параметры актюаторов. Поэтому, при внешне одинаковых спецификациях на актюаторы разных производителей, они могут иметь отличные показатели в ходе эксплуатации.

2.4 Пакетные актюаторы и выбор пьезокерамики для них Пакетные актюаторы конструируются на основе одного из двух принципов: дискретное пакетирование и совместное спекание. Для изготовления дискретного пакетного актюатора пьезокерамические элементы изготавливаются отдельно (формуются, спекаются, наносятся электроды), после чего элементы собираются в пакет.

Пакетные актюаторы, изготовленные дискретным способом, позволяют использовать при изготовлении различную форму пьезокерамических элементов, а также обеспечивают более широкий выбор пьезокерамических материалов. Кроме этого, такие актюаторы имеют меньшее тепловыделение при работе на высоких частотах. С другой стороны, лимитирована минимальная толщина отдельных пьезокерамических слоев, которые могут быть изготовлены и собраны в пакет. Поэтому, для управления пакетными актюаторами, собранными по дискретной технологии, требуются напряжения в пределах 500 – 1000 Вольт.

Для создания актюаторов, управляемых более низким напряжением, каждый пьезокерамический слой должен иметь толщину менее 1мм. Для достижения таких размеров вся керамико электродная структура должна конструироваться и обжигаться целиком (технология совместного спекания). Теоретически любая пьезоэлектрическая керамика может использоваться для изготовления актюаторов по технологии совместного спекания, но в настоящее время керамика с высокой точкой Кюри редко используется для этих целей. Как следствие, большинство, коммерчески изготовленных по технологии совместного спекания, пакетных актюаторов не могут работать при температурах выше 220С, и т.о. конкурировать с высоковольтными актюаторами.

Не каждый пьезокерамический материал может быть использован для производства актюаторов. Мало того, разные типы пьезоактюаторов требуют своей специфической технологии приготовления материала. В связи с этим производители пьезоактюаторов зачастую сами производят пьезокерамику.

ЦТС пьезокерамика будет являться основным материалом для твердотельных актюаторов в ближайшей и среднесрочной перспективе. Новые электроактивные материалы, такие как монокристаллы, обладающие наибольшей величиной деформации, не могут в настоящее время по техническим и ценовым параметрам удовлетворить требования науки и техники. В связи с этим производители пьезоактюаторов предлагают набор пакетных актюаторов для различных задач, который подразделяется в зависимости от свойств пьезокерамики и технологии производства на высоковольтные (дискретные) и низковольтные многослойные (монолитные).

Высоковольтные пакетные актюаторы изготавливаются из разных типов пьезокерамических материалов: стандартных, высокомощных, высокостабильных и высокотемпературных.

Рабочее напряжение стандартных пакетных актюаторов, изготовленных из стандартной пьезокерамики ЦТС лежит в пределах от -100В до +500В и от -200В до +1000В (управление актюаторами может осуществляться в однополярном или биполярном режиме).

Диапазон рабочих температур от -60С до +120С. Осевой коэффициент температурного расширения около +1ppm/С.

Существуют актюаторы, способные работать в криогенных условиях до -273С.

Высокомощные пакетные актюаторы из специальной мощной пьезокерамики применяются в адаптронике. Электрическая емкость таких актюаторов приблизительно на 80% больше, чем у стандартных актюаторов. Рабочее напряжение таких актюаторов лежит в пределах от -100В до +500В и от -200В до +1000В (управление актюаторами может осуществляться в однополярном или биполярном режиме).

Диапазон рабочих температур от -60С до +120С. Осевой коэффициент температурного расширения около +1ppm/С. В последнее время возник интерес к актюаторам, способным работать в вакууме.

Высокостабильные пакетные актюаторы отличаются стабильными характеристиками деформации и силы во всем диапазоне рабочих температур благодаря свойствам пьезокерамики.

Электрическая емкость таких актюаторов приблизительно равна емкости актюаторов, изготовленных из стандартных пьезоматериалов. Рабочее напряжение лежит в пределах от -100В до +500В и от -200В до +1000В (управление актюаторами может осуществляться в биполярном режиме или однополярном). Диапазон рабочих температур от -60С до +120С. Осевой коэффициент температурного расширения около +1ppm/С. Имеются разработки актюаторов, способные работать в криогенных условиях до -273С, а также при температурах до 200С. Эти актюаторы хорошо работают при высоких частотах, т.е. в режиме скоростной актюации. Они пригодны для скоростного управления клапанами, в качестве вибраторов и сканеров.

Для высоковольтных актюаторов процесс производства ЦТС пьезокерамики начинается со смешивания и помола в шаровой мельнице исходных материалов. Затем, с целью ускорения процесса реакции компонентов, смесь нагревается до 75% от температуры спекания (агломерации). После чего, смесь снова проходит процедуру помола. Далее осуществляется гранулирование вместе со связующим веществом.

Пьезоэлементы в классическом Установка для трафаретной пакетном высоковольтном печати актюаторе После формирования и прессования «зеленая» керамика нагревается до температуры около +750С для выжигания связующего вещества. После этого происходит процесс обжига в температурном диапазоне 1250 1350С. Затем керамический блок разрезается, шлифуется, полируется и т.д. для получения заданного типоразмера с требуемыми допусками. Электроды наносятся путем напыления или методом трафаретной печати. Последним этапом является процесс поляризации, который проводится в воздушной или масляной среде под воздействием электрического поля мощностью в несколько киловатт на миллиметр толщины.

Низковольтные многослойные монолитные актюаторы представляют собой монолитные пакеты без корпусов, слои пьезокерамики в которых вместе с электродами спечены вместе в ходе одного технологического процесса. Рабочее напряжение таких актюаторов лежит в пределах от -30В до +200В (управление актюаторами может осуществляться в однополярном или биполярном режиме). Диапазон рабочих температур от -50С до +100 С. Осевой коэффициент температурного расширения около -3ppm/ С. По заказу может быть выполнено исполнение актюатора, способного работать в криогенных условиях или в вакууме.

Технологический процесс производства многослойных монолитных пьезоактюаторов полностью отличается от производства дискретных пакетных актюаторов, и включает следующие основные операции:

- после помола готовится пьезокерамическая гидросмесь - осуществляется шликерная отливка гидросмеси на фольгу (foil которая позволяет обеспечить толщину casting process), пьезокерамического слоя до 20мкм - методом трафаретной печати наносятся электроды (на фото показана полностью автоматизированная установка по нанесению электродов).

- производится сушка и ламинирование слоев - осуществляется многослойное дублирование пьезоматериала в пакет - проводится процесс прессования, который увеличивает плотность «зеленой» керамики и устраняет полости между слоями - выжигание связующего вещества - спекание пакета при температуре не выше 1100С - скрайбирование, заделка выводов, сушка и обжиг, - поляризация - проведение выходного контроля.

Автомат по нанесению Пьезокерамические слои в электродов методом трафаретной монолитном актюаторе печати Все технологические процессы в ходе изготовления актюаторов, особенно циклы нагревания и обжига, должны иметь очень жесткие допуски и находиться под тщательным контролем. Даже самые небольшие отклонения от допусков приводят к изменению качества и свойств пьезоматериала. При производстве актюаторов осуществляется 100% контроль качества пьезоматериала и компонентов.

Ранее пьезоактюаторы применялись в основном для задач прецизионного позиционирования. В настоящее время к ним проявляется значительный интерес в новых областях: механика (клапаны, инжекторы) и адаптивные интеллектуальные структуры.

Понятно, что возрастающий интерес не может быть удовлетворен только одним типом актюаторов. В связи с этим разрабатывается и производится широкая гамма пакетных актюаторов, которые по бескорпусные конструкции различают на (монолитные прямоугольные, дискретные дисковые, дискретные кольцевые) и корпусные с предварительным механическим напряжением.

Монтаж и передача перемещения бескорпусными актюаторами осуществляется через торцевые поверхности пакета пьезокерамических элементов (пластин, дисков или колец). Их нельзя удерживать или крепить боковыми зажимами. Бескорпусные кольцевые актюаторы состоят из пакета колец, поэтому они по центру имеют отверстие. Это отвечает двойному предназначению кольцевых актюаторов: во-первых, задачам по настройке оптики проходного типа или когда элементы механики должны находиться внутри актюатора;

во-вторых, для увеличения жесткости на изгиб путем увеличения диаметра пакета без необходимости увеличения действующего объема пьезокерамики. Кольцевые актюаторы имеют дополнительную возможность охлаждения за счет поступления охлаждающей среды на их внутреннюю поверхность.

Рис. 3 Бескорпусной кольцевой пакетный актюатор Корпусные пакетные актюаторы с предварительным механическим напряжением имеют металлический корпус, за счет которого обеспечивается их механическая прочность и стабильность работы в условиях механических ударов. Встроенный в корпус механизм предварительного механического напряжения компенсирует растягивающие напряжения, которые исключительно вредны для пьезокерамики.

Рис. 4 Корпусной актюатор с предварительным механическим напряжением 2.5 Сравнение пьезокерамических и электрострикционных (МНС) актюаторов Электрострикционные актюаторы работают на принципах, подобных пьезоэлектрическим актюаторам. Электрострикционным эффектом обладают все диэлектрические материалы.

С одной стороны электрострикционные материалы имеют преимущества перед пьезокерамическими материалами противостоять усилию вытягивания, обладают сниженным уровнем гистерезиса и отсутствием крипа. Но, к сожалению, эти преимущества действительны только для очень малого температурного диапазона приблизительно +/-5С от комнатной температуры.

Электрострикционные актюаторы изготавливаются на основе МНС (магний-ниобата свинца - PMN) керамики. Такая керамика обеспечивает величину перемещения, пропорциональную квадрату приложенного напряжения в условиях слабого сигнала. В таких условиях зерно МНС керамики обладает центральной симметрией при нулевом напряжении. Электрическое поле разделяет положительно и отрицательно заряженные ионы, изменяя, таким образом, величину частиц, что приводит к их увеличению в объеме.

Квадратичная зависимость между управляющим напряжением и величиной деформации означает, что электрострикционным актюаторам присуща нелинейность по сравнению с пьезокерамическими актюаторами.

Рис.5 Сравнительная характеристика электрострикционного и пьезокерамического материалов: деформация, как функция напряженности электрического поля.

Электрострикционные актюаторы должны работать при температуре выше их температуры Кюри, которая сама по себе гораздо ниже температуры Кюри пьезокерамики. Пьезокерамические материалы имеют значительно большую температурную стабильность по сравнению с электрострикционными, особенно при колебаниях температуры выше 10С. При увеличении температуры деформация электрострикционного материала снижается (рис.5).

Рис.6 Сравнительная характеристика электрострикционного и пьезокерамического материалов: деформация, как функция температуры В ограниченном температурном диапазоне МНС актюаторы обладают меньшим гистерезисом (на уровне 2-3%) по сравнению с пьезокерамическими актюаторами. При низких температурах, где деформация наибольшая, увеличивается гистерезис (рис.6). Поэтому, электрострикционные актюаторы лучше применять при низких температурах или в условиях стабильных температур.

МНС актюаторы имеют электрическую емкость гораздо выше, чем пьезокерамические, что требует больших токов управления в динамическом режиме работы. Высокодинамичная работа приводит к перегреву, что в свою очередь уводит систему от оптимального температурного диапазона, составляющего +20С +35С.

Рис.7 Сравнительная характеристика электрострикционного и пьезокерамического материалов: гистерезис, как функция температуры Электрострикционные устройства не показывают определенного направления поляризации, поэтому напряжение любой полярности может быть приложено, и при его увеличении может быть вызвано положительное перемещение. В связи с этим, по сравнению с пьезокерамическими актюаторами, нет возможности увеличения хода за счет подачи биполярного управляющего напряжения.

Исходя из вышеизложенного использование электрострикционных актюаторов ограничено главным образом лабораторными задачами в основном для статического позиционирования.

2.6 Основные формулы для расчета пьезоактюаторов 2.6.1 Осевые пьезоактюаторы в условиях слабых полей и малых нагрузок Рассмотрим основное поведение пьезоактюатора в условиях слабых полей и малых нагрузок на примере простого осевого актюатора, состоящего из одного пьезоэлемента (рис 7):

Рис. 8 Одиночный пьезоэлемент в качестве простого пьезоактюатора:

слева – осевой, справа - поперечный Основные характеристики такого пьезокерамического актюатора определяются следующими уравнениями:

Величина шага пьезоэлемента без нагрузки (при F = 0) (2.1) h = d33 · Uм Блокирующая сила при h=0 (сила, развиваемая полностью заблокированным пьезоэлементом) Fb = [(d33 · l · w )/(sE33 · h)]· U (2.2) Жесткость (постоянная пружины) KE = F / h = (d33 · l · w )/(sE33· h) (2.3) Резонансная частота для свободного (не закрепленного) элемента (l и w h) (2.4) fm = NL / h Резонансная частота элемента с одним прикрепленным к основанию концом (2.5) fm = NL / 2h Постоянная внешняя сила от пневматического или гидравлического цилиндра или, к примеру, вес уменьшит абсолютную длину пьезоэлемента. Деформация зависит от жесткости пьезоэлектрического элемента и величины силы, но до максимальных пределов нагрузки шаг и блокирующая сила актюатора останутся неизменными.

С другой стороны, если актюатор находится под внешним воздействием пружины, его поведение будет несколько отличаться, так как сила внешнего воздействия увеличивается по мере расширения актюатора, и шаг будет зависеть от постоянной пружины СL.

Воздействие постоянной пружины KL на блокирующую силу и шаг приведено ниже:

(2.6) FL = F / (1 + KL / KE ) (2.7) hL = h / (1 + KL / KE ) Рис. 9 Поведение простого осевого пьезоактюатора График на рис. 9 демонстрирует эти зависимости осевого актюатора. При отсутствии внешнего воздействия или электрического напряжения, высота h = h0. В этом случае электрическое напряжение U возрастает от величины h до h0 + h. При постоянном воздействии приложенной силы F” рабочая точка сдвигается. Затем напряжение U вызывает увеличение высоты h’, которая практически равна h.

Нагрузка пружины FL, с другой стороны, сокращает шаг hL.

Все расчеты, приведенные на графике, относятся к не закрепленным актюаторам. Но, когда актюатор закреплен, то можно ожидать отклонения от приведенных значений. К примеру, тонкие диски не могут производить радиальный сдвиг во время расширения, поэтому сила, которую они могут произвести и их шаг уменьшаются (до 30%).

2.6.2 Поперечные пьезоактюаторы в условиях слабых полей и малых нагрузок Основное поведение простого поперечного пьезоактюатора в условиях слабых полей и малых, состоящего из одного пьезоэлемента (рис 8) будет описываться следующими уравнениями:

Шаг при F = 0 (без нагрузки) (2.8) l = d31 · l/h · U Блокирующая сила при h= Fb =d31 /sE11 · w · U (2.9) Жесткость (постоянная пружины) KE = F / l = h · w /sE11 · l (2.10) Резонансная частота для свободного элемента (l и w h) (2.11) fm = NP / l Резонансная частота элемента с одним прикрепленным к основанию концом (2.12) fm = NP / 2l Для цилиндрических элементов размеры l и w должны быть заменены на r2.

3 ОСНОВЫ ПЬЕЗОМЕХАНИКИ 3.1 Перемещение (ход) пакетного пьезоактюатора, работающего на сжатие Обычные пакетные актюаторы достигают относительного перемещения (хода) до 0,2%. Перемещение пьезокерамического актюатора в основном является функцией напряженности приложенного электрического поля Е, длины актюатора L, приложенной силы (нагрузки), а также свойств используемого для его построения пьезокерамического материала, которые описываются пьезомодулями dij. Эти модули описывают взаимосвязь между приложенным электрическим полем и механической деформацией.

Перемещение (ход) l ненагруженного однослойного актюатора может быть определено по следующей формуле:

l = S · l0 E · dij · l0 (2.13) Где:

S – деформация (относительное изменение длины l/l, величина безразмерная) l0 – длина (толщина) пьезокерамики [м] E – напряженность электрического поля [В/м] dij - пьезоэлектрический коэффициент (пьезомодуль) пьезокерамики (м/В). Пьезомодули d33 и d31 в пьезомеханике еще называют «(пьезо) модулями направления», соответственно «толщинный модуль» и «продольный модуль».

d33 – описывает деформацию в направлении параллельном вектору поляризации (толщинная мода), и используется в случаях, когда производится расчет пакетных актюаторов.

-d31 – описывает деформацию в направлении ортогональном (перпендикулярном) вектору поляризации (поперечная мода), и используется в случаях, когда производится расчет трубчатых (цилиндрических) и ленточных (пластинчатых), поперечных и сдвиговых актюаторов. Является величиной отрицательной.

Рис.10 Расширение и сжатие пьезокерамического диска в зависимости от приложенного управляющего напряжения.

Для стандартных пьезоактюаторов обычно используются пьезоматериалы со следующими величинами модулей направления:

d33 в пределах от 250 до 550 пм/В и d31 в пределах от -180 до - пм/В. Пьезоматериалы с наибольшими значениями используются для изготовления сдвиговых пьезоактюаторов (мода d15).

Максимально допустимая напряженность поля для пьезоактюаторов лежит в пределах от 1 до 2кВ/мм в направлении поляризации. В обратном направлении (в случае биполярного сигнала управления) напряженность поля не должна превышать 300В/мм.

Максимальное значение управляющего напряжения зависит от параметров используемой пьезокерамики и характеристик применяемых изоляционных материалов.

Рис.11 Типичная реакция актюатора на биполярное управляющее напряжение. Когда пороговое напряжение достигает некоторого предельного отрицательного значения по отношению к вектору поляризации, может произойти деполяризация пьезокерамики.

При подаче предельно допустимых управляющих напряжений может произойти диэлектрический пробой и необратимое повреждение пьезоактюатора.

При подаче отрицательного напряжения происходит «обратное расширение» или сжатие, достигающее величины 20% от номинального хода. Если для управления используется поле обоих направлений, то относительное расширение (деформация) для пакетных актюаторов может быть увеличено приблизительно на 0,2%.

Такая методика может снизить уровень средней величины управляющего напряжения без потерь в значении величины перемещения, но при этом увеличится срок службы актюатора.

При изготовлении пакетных актюаторов используется следующий коэффициент пропорциональности: отношение длины пакета к диаметру должно составлять 12:1. Это означает, что, например, для актюатора с диаметром пьезоэлементов 15мм максимальная величина хода (перемещения) не превышает приблизительно 200 микрон. Большие значения перемещения могут быть достигнуты при использовании технологии механического усиления перемещения, или так называемых усилителей уровня перемещения.

Важно иметь в виду, что максимизация отдельных параметров пьезоактюаторов не должна быть самоцелью для их разработчика и производителя. Пьезоактюаторы разрабатываются для конкретного практического применения и должны быть востребованы.

3.2 Поведение пьезоактюаторов в условиях сильных полей У большинства пьезокерамических материалов пьезомодули d и d31, нарастают с увеличением силы поля. Поэтому, в условиях сильных полей ход пьезоактюаторов будет выше, чем расчетные для актюаторов при слабых полях. Блокирующая сила также возрастает, но не в такой степени, как ход. Пьезомодули по напряжению для сегнетожестких пьезоматериалов, по сравнению с сегнетомягкими, в меньшей степени зависят от напряженности электрического поля.

Другое отличие этих двух групп пьезоматериалов касается гистерезиса. Сегнетожесткие материалы имеют меньшую гистерезисную петлю, поэтому они выделяют меньше тепла во время деформации.

На практике всегда тяжело предсказать поведение пьезоактюаторов. Например, характер монтажа актюатора и предварительное механическое напряжение пьезоматериала может значительно повлиять на его работу, что может выявиться только после практических замеров параметров актюаторной системы.

3.3 Пакетные пьезоактюаторы Простой пьезокерамический элемент, как показано на рис. может работать в качестве пьезоактюатора, но для этого понадобится приложить к нему очень высокое напряжение, чтобы получить заметное перемещение. В соответствии с формулой 2.1 для обеспечения хода 10мкм к нему нужно приложить напряжение киловольт. Оперировать с таким уровнем напряжения в длительном импульсном режиме чрезвычайно трудно из-за необходимости иметь сложнейшую систему управления.

Если пьезоактюатор набрать из большого количества тонких пьезоэлементов, электрически соединенных параллельно, то для получения хода такой величины понадобится электрическое напряжение меньше 1000 вольт. Напряжение можно снизить еще больше (до 100 вольт), если построить актюатор по многослойной технологии. Низковольтное управление напряжением достигается за счет увеличения емкости актюатора и рабочего тока. Поэтому в импульсных режимах электроды пьезокерамики, контакты и проводники будут находиться под воздействием больших токов.

Рис. 12 Схема построения пьезопакета На рис. 12 показана схема пакетного актюатора.

Пьезокерамические диски толщиной 0,2 – 1мм пакетируются в направлении требуемого перемещения и развиваемой силы. Между пластинами укладываются электроды из медной фольги, которые соединяются, как показано на рисунке. Характеристики пакетного актюатора могут быть рассчитаны по формулам 2.1 - 2.5 путем умножения управляющего напряжения и толщины пьезоэлемента на их количество (n).

Однако, этот метод конструирования влечет за собой недостаток, выражающийся в том, что многочисленные соединения снижают жесткость и надежность актюатора. Для получения эффекта актюации одного пьезоэлемента разработан метод предварительного механического напряжения пакета пьезоэлементов. На рис. показан вариант такого механизма, в виде специального пружинного корпуса для пьезоактюатора.

Рис. 13 Общий вид и схема построения пьезоактюатора с предварительным механическим напряжением Если для предварительного механического напряжения используется очень эластичная пружина, как показано на рис.13а, то величина хода, блокирующей силы и жесткости могут быть рассчитаны. Только величина времени реакции (отклика) увеличивается из-за добавленной массы.

Пружины предварительного механического напряжения большой жесткости, такие как центральный болт или трубка, внутрь которой вставлен пьезопакет, действуют как нагрузочная пружина и таким образом снижают характеристики сборки.

Во многих случаях, внешний механизм нагрузки сам обеспечивает предварительное напряжение.

пружина Рис.13а Конструкция предварительно нагруженного пакетного пьезоактюатора.

Предварительное механическое напряжение актюатора необходимо в следующих случаях:

- Для обеспечения симметричных характеристик хода вперед и назад. Отдельный пьезокерамический элемент может развить значительную толкающую составляющую перемещения, но не может выдержать больших сил, действующих на растяжение элемента. Для обеспечения одинаковых (симметричных) характеристик хода вперед и назад, в пьезоактюаторе должна действовать некая сила установки в исходное состояние. Простейшим решением является установка пассивной предварительной нагрузки с помощью пружинного механизма.

- Для улучшения динамики пьезоактюатора. Под динамикой пьезоактюатора понимается его приемистость. Известно, что снижение динамики является результатом действия растягивающей нагрузки. Компенсировать такую нагрузку можно с помощью достаточно высокой предварительной нагрузкой (предварительного механического напряжения). Пьезоактюатор с такой предварительной нагрузкой способен обеспечить высокие динамические характеристики при значительных колебаниях частоты управляющего напряжения и в импульсном режиме. В противном случае в указанных режимах пьезоактюатор работать не сможет. Надо иметь в виду, что высокая динамика пьезоактюатора во время включения неправильно подобранного блока управления (при времени восстановления сигнала менее 100мксек) может вызвать значительные внутренние колебания. Даже очень большая предварительная нагрузка не сможет предотвратить разрушение пьезокерамики. Поэтому очень важно осуществлять правильный выбор типа электронного блока управления. Многослойные монолитные актюаторы обладают меньшей зависимостью от такого эффекта по сравнению с дискретными пакетными пьезоактюаторами.

Для улучшения пьезомеханических характеристик пьезоактюатора. Некоторые типы пьезокерамических материалов обладают эффектом увеличения деформации под воздействием значительных давлениях нагрузки. Из таких материалов изготавливаются высокомощные актюаторы.

Конструкции предварительного механического напряжения должны отвечать двум базовым требованиям:

- Механизм предварительной нагрузки должен обеспечивать приложение больших сил наряду с как можно меньшей жесткостью.

Только тогда предварительная нагрузка не меняет перемещение актюатора, и в таком случае можно обеспечить максимальный ход актюатора.

- Уровень силы системы предварительного напряжения, оказываемой на конструкцию актюатора, должна быть достаточно большой, чтобы достаточно быстро вернуть в исходное положение движущуюся массу, присоединенную к актюатору. Величина такой силы определяется следующим уравнением:

F = m · l/t2 (3.1) Где:

F - величина силы системы предварительного напряжения m - масса, присоединенная к актюатору l – ход актюатора t – минимальное время восстановления положения актюатора Для обеспечения симметричных характеристик хода вперед и назад иногда применяют системы предварительного механического напряжения, имеющие величину предварительной нагрузки равной 50% от максимально допустимой нагрузки актюатора. Для многих задач пьезоактюаторные системы снабжают устройствами предварительного механического напряжения, которые противодействуют актюатору с целью исключения люфта (мертвого хода).

Для выполнения вышеуказанных требований применяются пассивные и активные системы. К пассивной системе относится пружина возврата в исходное положение (рис 13 и 13а). К активной системе – так называемая «антагонистическая система», состоящая из двух пьезоактюаторов, смонтированных встречно, между которыми находится ведомая нагрузка (рис. 14). Пьезоактюаторы работают в режиме последовательных перемещений вперед и назад. В результате актюаторы не действуют против постоянной контрсилы пружин возврата в исходное положение, вследствие чего отсутствуют резонансные явления. С другой стороны увеличивается емкость.

Простейшей антагонистической системой является использование биполярных пакетных пьезоактюаторов со встречным включением полярности управляющего напряжения. Такие системы могут управляться одним для обоих актюаторов сигналом.

Рис.14 Конструкция биполярной антагонистической пьезоактюаторной системы.

Негативным моментом дискретных актюаторов с предварительным механическим напряжением может послужить частичная деполяризация пьезокерамики, особенно во время отсутствия управляющего напряжения. Однако, использование специальной высокомощной пьезокерамики, способной к реполяризации во время действия приложенного управляющего напряжения, устраняет этот момент. Для пьезоактюаторов, изготовленных из такой керамики, после длительного перерыва в работе необходимо провести один-два рабочих цикла для восстановления репродуктивности параметров пьезокерамики.

Актюаторы без предварительного механического напряжения, имеющие пьезопакеты из склеенных пьезоэлементов, не обладают таким негативным моментом, как деполяризация. Но они становятся более эластичными из-за клеевого слоя, который невозможно сделать исключительно тонким. Более того, в силу низкой стойкости пьезокерамики к растягивающим силам, следует предпринимать дополнительные меры по противодействию этих сил, особенно в импульсных режимах работы.

3.4 Ход актюатора и внешняя сила Подобно любому актюатору пьезоактюатор сжимается вод воздействием приложенной внешней силы. Необходимо учитывать два момента в работе пьезоактюатора под нагрузкой:


- нагрузка остается неизменной в процессе работы;

- величина нагрузки меняется в процессе работы.

Для того, чтобы снизить потери при перемещении для актюаторов с предварительным механическим напряжением жесткость пружины должна составлять 0,1 от жесткости пьезоактюатора. Если жесткость пружины предварительного напряжения равна жесткости пьезоактюатора, то величина хода актюатора снижается на 50%. Преимущественно для работы в динамическом режиме резонансная частота предварительной нагрузки должна быть выше резонансной частоты пьезоактюатора.

а) Нагрузка остается неизменной, нулевая позиция совпадает с началом пути (рис. 15).

Рис.15 Нулевая позиция совпадает с началом пути при постоянной нагрузке.

Масса, установленная на актюатор воздействует на него с силой F = M · g (M – масса, g – ускорение свободно падающего тела). В этом случае нулевая позиция будет смещена на величину LN F / КЕ (3.2) Где:

LN – величина смещения нулевой позиции в результате воздействия постоянной нагрузки [м] F –сила воздействия нагрузки F = M · g, [Н] КЕ - жесткость пьезоактюатора [Н/м] Если сила воздействия постоянной нагрузки меньше предельной нагрузки актюатора (указывается в спецификациях производителей), то полный ход может быть осуществлен при подаче максимального управляющего напряжения.

Пример: Какова величина смещения нулевой позиции в результате воздействия постоянной нагрузки в 20кг на пьезоактюатор с максимальным ходом 30мкм и жесткостью 100Н/мкм, и каков будет максимальный ход при данной нагрузке? Нагрузка в 20кг создает силу воздействия 20кг х 9,81м/сек2 = 196Н. При жесткости 100Н/мкм пьезоактюатор сжат на величину LN = 1,96мкм. Таким образом, при данной нагрузке максимальный ход актюатора в 30мкм не может быть достигнут.

б) Нагрузка переменная, смещение нулевой позиции нет (рис.

16).

Рис.16 Эффективный ход пьезоактюатора, при действии против эластичной нагрузки.

Для пьезоактюатора, работающего против эластичной нагрузки, действуют другие правила. Часть его хода, производимого за счет пьезоэлектрического эффекта, теряется за счет эластичности пьезокерамики. Общий ход может быть выражен через жесткость пружины. Максимальный ход пьезоактюатора, работающего против эластичной нагрузки, определяется уравнением:

L l0 · (КЕ / КЕ + КL)] (3.3) Максимальные потери хода актюатора, работающего против эластичной нагрузки могут быть выражены уравнением:

LR l0 · [1 – (КЕ / КЕ + КL)] (3.4) Где:

L – общий ход пьезоактюатора под воздействием эластичной нагрузки [м] номинальный ход актюатора без воздействия внешней L0 – нагрузки или блока [м].

LR – потери в ходе, вызванные эластичной нагрузкой [м] KЕ - жесткость пьезоактюатора [Н/м] KL - жесткость пружины [Н/м] Из уравнения 3.4 следует, что при жесткости пружины, стремящейся к бесконечности, наблюдается максимальная потеря хода, актюатор не может произвести перемещение, и работает только как генератор силы.

Пример: Каков будет максимальный ход актюатора с параметрами L0 = 15мкм и KЕ = 50н/мкм с эластичной нагрузкой, имеющей жесткость KL = 100Н/мкм? В соответствии с формулой 3. ход актюатора снижается из-за эластичной нагрузки. Жесткость нагрузки в два раза превышает жесткость пьезоактюатора. Поэтому достижимый максимальный ход такого нагруженного актюатора составит 4,95мкм (почти 1/3 от номинального хода).

3.5 Полярность управляющего напряжения Пьезопакеты могут управляться однополярным или не полным двухполярным напряжением. Даже могут применяться сигналы с симметричным двухполярным напряжением.

В случае управления пьезоактюатора с помощью однополярного или не полного двухполярного сигнала, при его подключении к источнику питания важно соблюдать правильную полярность. В противном случае он может быть поврежден за счет деполяризации, которая наступит при достижении максимального значения управляющего напряжения. Простейшим методом проверки правильности подключения является подача на актюатор безопасного низкого напряжения, после чего необходимо проверить, удлиняется ли он при увеличении напряжения. Биполярные актюаторы не чувствительны к смене полярности при подключении. Но, в случае неправильного подключения происходит инверсия его механической реакции, т.е. он укорачивается вместо того, чтобы удлиняться.

Многие производители корпусных актюаторов отрицательный потенциал считают управляющим, а положительный закорачивают на массу. Для бескорпусных («голых») актюаторов, соблюдение полярности не имеет значения.

3.6 Ход и позиционирование Любая пьезокерамика может работать в определенных пределах с напряжением, полярность которого противоположна направлению поляризации керамики. Поэтому на практике пьезоактюаторы управляются не полным двухполярным напряжением, что по сравнению с однополярным управлением увеличивает максимальный ход актюатора, его блокирующую силу и удельную энергию.

Пьезоактюатор из любого пьезоматериала может управляться противодействующим напряжением величиной от 20% максимального управляющего напряжения, указанного в спецификации. Увеличение максимального хода и блокирующей силы может в этом случае достигать 30% по сравнению с однополярным управлением. Удельная энергия может быть выше на и более. Сегнетожесткие высокостабильные 50% высокотемпературные ЦТС пьезокерамические материалы могут выдерживать без частичной деполяризации электрические поля, имеющие направленность противоположной поляризации, величиной даже более 20% от напряженности поля, при которой проводилась поляризация.

Для пьезоактюаторов, которые могут управляться частичным двухполярным напряжением, в спецификации указываются две величины максимального хода. Например, пьезоактюатор компании APC International Ltd. PSt 150/7/40 VS12 в спецификации имеет максимальный ход 55µm/40µm. Это означает, что при частичном двухполярном сигнале от -30 V до +150 V максимальный ход актюатора составляет 55µm, а при однополярном сигнале управления от 0 V до +150 V максимальный ход актюатора составляет 40µm.

Максимальный ход пьезоактюатора пропорционален его длине и обычно достигает 0,1-0,2% от длины актюатора. В спецификациях, как правило, указывается номинальное значение хода, определенное при комнатной температуре без нагрузки. На практике максимальный ход также зависит от условий монтажа пьезоактюаторов, особенно таких, как предварительная нагрузка и жесткость управляемого механизма.

Зависимость хода от управляющего сигнала становится более линейной, если его определять не по отношению к приложенному напряжению, а от заряда, полученного актюатором.

Одной из важных характеристик пьезоактюаторов является их способность к прецизионному позиционированию, вплоть до субнанометрического диапазона. Следует иметь в виду, что пьезокерамические элементы сами по себе показывают исключительно высокую относительную чувствительность к позиционированию.

Разрешение актюатора – минимально возможное перемещение рабочего тела актюатора на единицу управляющего напряжения.

Разрешение зависит от приложенного электрического поля.

Теоретически разрешение лимитировано. Так как для актюаторов нет порогового напряжения, то стабильность источника напряжения является определяющим. Даже помеха в микровольтах способна вызвать перемещение. С целью увеличения разрешающей способности актюатора в качестве систем управления применяются малошумящие усилители (МШУ). В таких случаях пьезоактюаторы могут применяться в туннельных и атомарных микроскопах для обеспечения равномерного постоянного перемещения с субатомарным разрешением.

Следует иметь в виду, что пьезокерамические элементы сами по себе показывают исключительно высокую относительную чувствительность к позиционированию.

Разрешающая способность актюатора зависит от чувствительности пьезоактюатора к позиционированию - это минимальное напряжение помехи, при котором происходит крайне незначительный механический сдвиг. Для разных типов актюаторов определяется своя чувствительность. Обычно задается минимальный сдвиг в 0,05нм или 0,1 нм, и определяется напряжение помехи, при котором он происходит. Нормально, если напряжение помехи составляет от 1 до 10мВ, в зависимости от максимального напряжения сигнала, которое обычно находится в пределах от 100 до 1000 вольт. В связи с этим величина шумов блоков питания пьезоактюаторов (драйверов) принято определять в милливольтах.

На разрешающую способность актюаторов оказывает влияние также частота помехи. Если диапазон частот помех далеко от резонансной частоты механической системы, то они не оказывают влияния на механическую разрешающую способность и стабильность системы (пьезоактюатора и блока управления). Если частота помехи совпадает с резонансной частотой механической системы, то это может оказать более значительное влияние на стабильность системы.

Для обеспечения оптимального хода пьезоактюатора при подаче управляющего сигнала применяются системы обратной связи подгоняющие управляющее напряжение под величину, соответствующую заданной позиции пьезоактюатора.

3.7 Соотношение хода и развиваемой силы пакетных актюаторов Подобно любому электрическому мотору пьезоактюатор преобразует электрическую энергию в механическое движение и/или силу, передаваемые ведомому механизму. Механическое взаимодействие между пьезоактюатором и механизмом определяется жесткостью (= инверсивной податливостью = жесткостью пружины) обеих взаимодействующих систем.

Рис.17 Схема простейшей пьезоактюаторной системы:

пьезоактюатор (слева) взаимодействует с сопряженным механизмом. В такой системе пьезомеханические свойства определяются двумя взаимодействующими жесткостями Sпьезо и Sмех Для описания поведения актюатора ниже приведены результаты двух основных экспериментов с целью определения величины хода и генерируемой силы как функции приложенного электрического напряжения:

Зависимость хода актюатора от приложенного напряжения.

Условия: ведомый механизм не имеет жесткости (Sмех = 0). В этом случае пакетный актюатор имеет максимальный ход. Генерируемая сила равна нулю (при постоянной нагрузке).


Рис.18 График зависимости хода от управляющего напряжения Зависимость блокирующей силы актюатора от приложенного напряжения. Условия: ведомый механизм имеет бесконечную жесткость (Sмех = ). В этом случае пакетный актюатор генерирует максимальную силу, которая называется блокирующей силой. При блокирующей силе величина хода равна нулю.

Рис.19 График зависимости величины генерируемой силы от управляющего напряжения Промежуточное условие (0 Sмех ). На практике пьезоактюаторы работают с ведомыми механизмами, жесткость которых лежит в пределах между нулем и бесконечностью. В этом случае пьезоактюатор «частично» производит ход и «частично»

генерирует силу. Эта «частичность» зависит от количественной взаимосвязи жесткостей актюатора и механической системы.

Достижимое отношение сила/ход в реальной пьезоактюаторной системе определяется следующим образом. На графике рисуется прямая (сплошная на рис.20), соединяющая значения максимального хода lmax и максимальной блокирующей силы FB, определенные при одинаковом максимальном электрическом напряжении. Затем от начала координат проводится прямая (пунктирная на рис.20), соответствующая жесткости ведомой механической системы (Н/мкм).

На графике две прямых пересекутся в точке А. Таким образом будет определено достижимое отношение сила/ход при максимальном напряжении возбуждения актюатора.

Рис.20 График соотношения хода и генерируемой силы в зависимости от управляющего напряжения Следует иметь в виду, что этот схематический метод применим для пьезоактюаторов с линейной зависимостью, использующих обычные ЦТС материалы. Он не учитывает эффект увеличения хода актюатора, который происходит при использовании специальной силовой пьезокерамики.

При условии, когда жесткость пьезоактюатора равна жесткости ведомой механической системы (Sмех = Sпьезо) достижимое перемещение составляет 50% от максимального хода пьезоактюатора lmax и достижимая сила составляет 50% от блокирующей силы FB.

При этих условиях (так называемая точка согласованной работы пьезоактюаторной системы) механическая энергия максимально эффективно передается от пьезоактюатора ведомой механической системе.

3.8 Соотношение энергии и мощности Пьезоактюатор является преобразующим «мотором», электрическую энергию в пьезомеханическую реакцию. Не резонансная электрическая энергия заряженного пакетного пьезоактюатора P определяется уравнением:

(3.5) P=C·U где: C – емкость актюатора, U – приложенное напряжение.

Пьезомеханическая реакция определяется ходом lи генерируемой силой F. Механическая энергия определяется уравнением:

(3.6) Е= l· F Философия позиционирования. Потребители (нано) пьезоактюаторов в основном заинтересованы в величине хода l пьезоактюатора и, возможно, в их способности к сверхточному позиционированию до субнанометрического диапазона. Величина генерируемой силы или механической энергии во время работы актюатора в этом случае не являются приоритетными. С точки зрения энергетической эффективности обычные пьезоактюаторы не подходят для большинства задач позиционирования, так как для этих целей требуется, как правило, незначительная часть механической энергии, которой они обладают. Для оптимизации пьезоактюаторов к задаче позиционирования требуется минимизировать входную электрическую энергию при сохранении величины заданного хода.

Или другими словами, электрическая емкость актюатора (соответствующая управляющему напряжению) должна быть как можно ниже для минимизации электрического тока (мощности), необходимого для осуществления динамической реакции (например, колебательных движений): т.е. для задач позиционирования наиболее подходит ЦТС пьезокерамика с относительно низкой диэлектрической постоянной () и с высоким пьезомодулем (d33).

Пьезоматериалы с низкой диэлектрической постоянной имеют также другие интересные свойства – высокую рабочую температуру и высокую устойчивость против деполяризации. Но, следует иметь в виду, что такие материалы показывают довольно низкий уровень жесткости в условиях не резонанса.

Прародительницей пьезоактюации является оптика, в которой пьезоактюаторы применяются зачастую для перемещения отдельного оптомеханического компонента с прецизионной точностью с целью получения оптимальной настройки оптической системы, например лазерного резонатора. Оптомеханические компоненты (платформы, зеркала) являются системами, использующими пружины частичной переустановки, в связи с чем, имеют малую жесткость. Настройка оптомеханики пьезоактюаторами не требует от них развивать значительной механической энергии или силы.

Примером высокодинамического позиционирования может послужить скоростное управление клапанами, когда актюатор перемещает механическую деталь (маленький шарик или иглу) для запора или открытия клапана.

Оптимизация мощности. Пьезоактюаторы выполняют задачи по позиционированию уже около 30 лет. Но развитие техники ставит перед пьезоактюаторами другие задачи. В частности, обеспечение значительного хода при развитии больших усилий для обеспечения больших передач механической энергии. Примером могут послужить интеллектуальные системы адаптивной механики (адаптроники), которая должна преобразиться с помощью интегрированных в нее пьезоактюаторов. Актюаторы планируется использовать в интеллектуальных адаптивных структурах машин и механизмов, автомобилей и других транспортных средств, плоскостях летающих аппаратов для целей возбуждения или подавления вибрации, изменения и оптимизации формы и т.д.

В этом случае пьезоактюатор должен передать значительную механическую энергию механической структуре. Для обеспечения большой выходной механической энергии требуется значительная входная электрическая энергия. Преобразование электрической энергии в механическую требует большой электрической емкости пьезоактюатора. Для этого применяются пьезоматериалы ЦТС, обладающие повышенной диэлектрической постоянной в сочетании с очень высокой величиной деформации и генерируемой силы. Следует иметь в виду, что имеется много ЦТС пьезоматериалов, обладающих большой диэлектрической постоянной, но, как правило, они не обладают значительной пьезомеханической реакцией.

3.9 Гистерезис Гистерезис – свойство физической системы не реагировать мгновенно на приложенное воздействие или не возвращаться полностью в свое исходное состояние. Явление гистерезиса подлежит контролю при работе пьезоактюатора в режиме управления без обратной связи (разомкнутой цепи). Актюатор проявляет диэлектрический и электромагнитный гистерезис в условиях больших уровней управляющего напряжения. Гистерезис определяется поведением поляризованной кристаллической структуры и молекулярными эффектами в пъезокерамике.

Рис.21 Гистерезис пьезоактюатора, работающего в режиме открытой цепи, в зависимости от различных пиковых напряжений.

Гистерезис связан с величиной конкретного перемещения, а не с величиной номинального шага.

Величина гистерезиса актюатора пропорциональна управляющему напряжению (напряженности поля). «Провал» в кривой зависимости перемещения от напряжения обычно начинается на уровне 2% (слабый сигнал) и длится до уровня 10 – 15% при подаче сильного сигнала (наибольшее значение характерно для сдвиговых актюаторов). Например, если управляющее напряжение пьезоактюатора с ходом в 50мкм увеличить на 10%, что эквивалентно увеличению перемещения приблизительно на 5мкм, то способность выполнить управление (повторяемость позиции) останется на уровне 1% от полного хода или чуть больше, чем 1мкм.

Чем меньше величина перемещения, тем меньше недостоверность. Гистерезис нельзя путать с холостым ходом обычного механизма. Холостой ход практически не зависит от перемещения, а остается постоянным для данной системы.

Для задач, где не требуется прецизионного позиционирования, гистерезис является второстепенным фактором, и можно использовать пьезоактюаторы в режиме работы незамкнутой цепи.

Такая схема может использоваться даже при необходимости обеспечения высокого разрешения. Для снижения явления гистерезиса подбирается оптимальная система управления или вводится система обратной связи.

Работа в режиме обратной связи позволяет полностью компенсировать явление гистерезиса. Это применяется тогда, когда требуется обеспечить абсолютную информацию о позиционировании системы, а также перемещение с высокой степенью линейности, повторяемости и точности в нанометрическом и субнанометрическом диапазоне.

3.10 Пакетные пьезоактюаторы для высокочастотного режима работы.

Во время конструирования пакетных актюаторов для высокочастотного применения следует учитывать два фактора.

Первый – потери на гистерезис (диэлектрические потери) в пьезоматериале нагревают актюатор, и лимитируют диапазон его применения. Второй – конструкция должна быть как можно компактнее во избежание возникновения ложных резонансов ниже резонансной частоты актюатора.

Для получения большего хода и более высокой резонансной частоты лучше использовать сегнетожесткую пьезокерамику, у которой диэлектрические потери ниже по сравнению с сегнетомягкими материалами. Однако выигрыш не настолько велик, как может показаться при сравнении их величин механической добротности. Если сравнить два одинаковых актюатора, изготовленных из сегнетомягкой и сегнетожесткой пьезокерамики (механическая добротность, которой на порядки выше), которые должны совершить одинаковый ход, то их разница в рассеянии энергии на выделение тепла составит около 30% от ожидаемой. Это объясняется тем, что сегнетомягкая пьезокерамика имеет более высокий пьезомодуль толщинной моды d33 (лучшую чувствительность), поэтому она требует меньшего управляющего сигнала и значит, имеет меньшие диэлектрические потери.

3.11 Крип (дрейф) Нежелательное изменение в параметрах перемещения во времени называется крипом. Природа крипа обусловлена теми же процессами в пъезокерамике, что и у гистерезиса, но происходит он не под воздействием управляющего напряжения. Если изменить управляющее напряжение и зафиксировать его, то остаточная поляризация будет продолжать меняться, вызывая тем самым медленное перемещение (дрейф). Уровень крипа изменяется во времени по логарифмической зависимости.

Рис.22 Крип, как функция времени, пьезоактюатора, работающего в режиме открытой цепи, после хода в 60мкм. После прекращения подачи напряжения управления дрейф составил 1% от величины перемещения на декаду времени.

На практике максимальный крип в течение нескольких часов после прекращения подачи управляющего напряжения может достичь несколько процентов.

Эффект крипа, как функция времени, может быть описан следующей формулой:

l(t) lt=0,1 [1 + · lg (t / 0,1)] (3.7) Где:

t – время [сек] l(t) – изменение позиции, как функция времени [м] lt=0,1 – перемещение актюатора за 0,1 секунду после окончания воздействия управляющего напряжения – крип-фактор, зависит от параметров актюатора (задается на уровне от 0,01 до 0,02, что соответствует 1% 2% за декаду времени) 3.12 Старение Старение приводит к снижению остаточной поляризации пьезокерамики. Его следует учитывать при создании пьезоэлектрических датчиков и пьезогенераторов. Однако, в случае с актюаторами старение не принимается в расчет, так как во время работы, пьезокерамика актюаторов подвергается воздействию мощного электрического поля в направлении поляризации.

4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ При сравнении параметров пьезоактюаторов разных производителей видно, что спецификации и технические характеристики зачастую формируются по-разному. Это обусловлено тем, что нет единых государственных и международных стандартов в этой сфере. В связи с этим необходимо разобраться в основах особых параметров, с тем, чтобы правильно применять то или иное пьезоэлектрическое устройство. Особенно это касается решения очень сложных технических задач, когда при разработке пьезоактюаторов необходимо учесть множество аспектов.

4.1 Нагрузки и жесткость Максимальная нагрузка на сжатие. Часто в литературе путают понятия величины механической прочности пьезокерамического материала с долговременной нагрузочной способностью пьезоактюатора. Пъезокерамика способна выдержать без механического разрушения давление до 250МПа (250 х 106 Н/м2).

Однако на практике использовать пьезоактюаторы под такими нагрузками нет возможности из-за процесса деполяризации пьезокерамики, который наступает при нагрузках, составляющих 20 30% от вышеуказанного механического предела. Для пакетных актюаторов и ступенчатых актюаторов (которые представляют собой комбинацию нескольких пьезокерамических материалов) существуют дополнительные ограничения. Необходимо брать в расчет такие явления, как: отношение пропорциональности, прогиб, взаимодействие плоскостей и т.п.

Максимальная компрессионная нагрузка пьезоактюатора или максимальная сжимающая сила для актюатора не является параметром, жестко лимитирующим максимально допустимую силу, при превышении которой немедленно наступает разрушение актюатора. Максимальная нагрузка пьезоактюатора – это компрессионная сила, при которой актюатор показывает снижение эксплуатационных характеристик ниже уровня характеристик ненагруженного актюатора. Следует иметь в виду, что снижение эксплуатационных характеристик обратимо.

Во избежание риска изгиба важно учитывать критическое отношение длина/диаметр актюатора, которое должно быть не более 15-20. Снизить риск изгиба для актюаторов большого диаметра можно за счет использования не больших пакетов и применения кольцевых элементов. Кроме этого, при использовании кольцевых элементов уменьшается электрическая емкость актюатора.

Максимальная нагрузка на растяжение. Предел нагрузки на растяжение пьезокерамического актюатора без предварительного механического напряжения составляет 5-10% от максимальной нагрузки на сжатие. Для увеличения этого значения изготавливают пьезоактюаторы с внутренней нагрузочной пружиной. Такие элементы предварительного механического напряжения рекомендуется устанавливать в актюаторах, работающих в динамическом режиме.

Пьезокерамика особенно чувствительна к сдвиговым нагрузкам.

Поэтому в конструкции актюаторов следует применять дополнительные меры (направляющие и т.п.).

Жесткость актюатора. Данный параметр является важным при определении развиваемой силы, резонансной частоты, поведении всей системы и т.д. Жесткость (величина обратная податливости) твердого тела зависит от модулей Юнга применяемого материала. Жесткость обычно выражается постоянной пружины KL которая описывает деформацию тела в зависимости от приложенной внешней силы.

Подобно любому твердому телу пьезоактюатор так же обладает жесткостью. Она описывается законом Гука, в котором деформация l связана с приложенной силой F уравнением F = КT · l, где КT – жесткость актюатора.

Но такое узкое определение характерно только для ограниченных задач по применению пьезоактюаторов. Оно не отвечает требованиям, когда необходимо обеспечить работу актюаторов в статике, динамике, работе в условиях высоких и низких управляющих напряжений с разомкнутыми и закороченными электродами.

В процессе поляризации пьезокерамики появляется остаточное напряжение в материале, зависящее от величины магнитуды поляризации. Поляризованная керамика подвергается воздействию, как приложенного напряжения, так и внешней силы. Когда на пьезокерамику воздействует внешняя физическая сила, то ее габаритные изменения зависят от жесткости самого керамического материала и изменений остаточного напряжения, вызываемого изменением величины поляризации.

Величина смещения нулевой позиции в результате воздействия постоянной нагрузки lN = F/ KL действительно только при условии малых сил и слабых сигналов. При работе в условиях больших сил следует при определении жесткости KL учесть дополнительные факторы, оказывающие влияние на изменения поляризации.

Пьезокерамика является активным материалом, который под воздействием механической нагрузки (т.е. работе в динамике) вырабатывает электрический отклик (заряд). Если этот заряд не снимается с пьезокерамики, то он вырабатывает силу, противодействующую внешнему механическому воздействию. Вот почему пьезоактюатор с разомкнутыми электродами обладает большей жесткостью в сравнении с аналогичным актюатором, но с замкнутыми электродами. Обычный усилитель напряжения с низким входным импедансом, подключенный к пьезоактюатору, по сути представляет собой систему с короткозамкнутыми электродами.

Недопустима механическая нагрузка на пьезоактюатор с разомкнутыми электродами, так как индуцируемое пьезокерамикой напряжение может электрически повредить пьезокерамический пакет.

Рис.23 Графики квазистатической характеристики механического сжатия/растяжения пьезоактюатора и получаемых значений жесткости. График 1 – на электроды подано номинальное напряжение, график 2 – при закороченных электродах (после деполяризации пьезокерамики) Жесткость пьезоактюатора является важным параметром при определении развиваемой силы, резонансной частоты, поведении всей системы и т.д. В отличие от обычных материалов, имеющих постоянную жесткость, пьезокерамика обладает уникальным свойством изменяемой жесткости, зависящей от электрических схем управления. Ниже приведены простые эксперименты, демонстрирующие данную зависимость.

К пакетному актюатору прикладывалась сжимающая сила F, после чего измерялась величина компрессионной деформации l. Это производилось в трех вариантах подключения актюатора:

а) Контакты актюатора короткозамкнуты или подключены к усилителю напряжения при постоянном значении сигнала на его выходе. В этом случае очевидно, что при постоянном напряжении жесткость актюатора определяется уравнением KЕ = F / l б) Контакты актюатора свободны. Замечено, что жесткость актюатора приблизительно в два раза выше по сравнению с предыдущим случаем. Конкретное значение зависит от типа пьезоматериалов и в некоторой степени от технологии изготовления актюаторов.

в) Актюатор подключен к блоку позиционирования с обратной связью. Жесткость актюатора оказывалась практически безграничной, в диапазоне управления обратной связи.

Разница в вариантах а) и б) очевидна. При воздействии сжимающей силы слои пьезокерамики генерируют электрический заряд. В случае а) возникновение заряда вызывает электрический ток, протекающий через замкнутые проводники. В случае б), когда контакты разомкнуты, заряд вызывает возникновение электрического поля, которое противодействует приложенной компрессионной механической силе, т.о. увеличивая жесткость.

В третьем случае, система обратной связи любой сдвиг, вызываемый компрессионной силой, стремится свести к нулевому значению.

Эти три основных реакции на внешнюю нагрузку определяют эквивалентные системы управления пьезоактюаторами:

- с помощью электрического напряжения (соответствует короткозамкнутой цепи) - током или зарядом (соответствует разомкнутой цепи) - работа в замкнутой цепи при управлении системой обратной связи Управление напряжением прекрасно подходит для низко динамического прецизионного позиционирования, когда нет больших требований к динамической жесткости. Это часто применялось в последние десятилетия.

Управление актюатором с помощью заряда или тока приводит, как указывалось выше, к значительному увеличению его жесткости.

Этот метод приобретает все большее применение в настоящее время, когда требуется высокий уровень динамической жесткости для модуляции систем с большим уровнем жесткости.

Не существует международных стандартов по измерению жесткости пьезоактюаторов. В связи с этим, для сравнения параметров жесткости, указываемых в спецификациях различных производителей, следует проводить исследования на основе дополнительных данных.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.