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压电陶瓷的动态力

我们都知道,给压电陶瓷加载电压之后,它会随着驱动电压的升高而膨胀伸长,当电压下降的时候,压电陶瓷会回缩,由于压电陶瓷具有极快的响应速度,因此在电流足够大的情况下,压电陶瓷会随着驱动电压升高或降低快速的膨胀与回缩,这时压电陶瓷自身会产生一个拉力与压缩力,两种力交替出现,我们称之为动态力。

当压电陶瓷高频动态工作的时候,自身产生的动态力非常大,计算公式如下:

从动态力公式可以看出,即使没有外部的负载,动态工作时压电陶瓷自身仍会产生动态力。 

由于压电陶瓷是通过叠堆共烧工艺或者由压电陶瓷片堆叠粘接而成,因此对于拉力非常的敏感,过大的拉力会造成压电陶瓷的损坏。下图为由于承受拉力而造成损坏的压电陶瓷。

很大的动态力相当于非常大的加速度作用在压电陶瓷及内部电极上,这种冲击会导致其损坏。加速度计算公式如下:

比如一个压电陶瓷的位移是20μm,操作频率是10kHz,计算得出加速度为39500m/s2,这超过了地球重力加速度的4000倍。

如何规避动态力可能带来压电陶瓷损坏的风险呢?

我们在使用的过程中需要了解动态力的情况,通过计算来确定动态力的大小,再通过降低使用频率或负载的方式减小动态力造成压电陶瓷损坏的可能性。

压电陶瓷带负载之后,产生的动态力会更大。因此我们对于动态应用的需求通常会选择带有一定预紧力的封装压电陶瓷,例如芯明天的PSt 150系列 及PSt 1000系列PSt 1000/35/xx VS45系列压电陶瓷的预紧力为6000N,这也就是意味着该系列压电陶瓷可以承受的zui大动态力为6000N。

PSt 1000/35/200 VS45

 

没有预紧力的压电陶瓷,只能在很低的频率下可以使用。

举例:

我们选择封装型压电陶瓷PSt 1000/16/200 VS25 这款产品,负载为10kg的前提下,zui大的使用频率可以达到300Hz吗? 

通过动态力公式计算,设频率为300Hz,计算得出动态力为3655N,而该压电陶瓷的预紧力为1500N,动态力远远超过了预紧力。在此频率下使用,必定会导致压电陶瓷的损坏;同样采用动态力公式计算,假设动态力为1500N,计算得出zui大使用频率为192Hz。

注意: 

1、动态操作压电陶瓷需要加散热装置可快速的将压电陶瓷产生的热量导出。

2、动态操作需要确保压电陶瓷不受侧向力及剪切力。

 

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