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压电陶瓷刚度

压电陶瓷可以被描述成具有恒定刚度系数的机械弹簧。刚度对于压电陶瓷的谐振频率和出力特性起着非常重要的作用。

陶瓷刚度与它的横截面积A成正比,陶瓷刚度随着陶瓷长度L0的增加而降低。

例:横截面积5×5mm2,长度为9mm的刚度为

横截面积不变,长度变为18mm,刚度则变为60N/µm。如果致动器的横截面积为10mm×10mm,长为18mm时,则刚度值为240N/μm。

但是以上的公式不能完全反馈实际情况,因为刚度还取决于如何使用(动态、静态操作),环境(负载、供电参数、小信号或大信号操作),这样可以改变两个或者更多的因素,因此这时候的公式仅能粗略的给出预期的性能。

然而实际情况下刚度还受到其他方面因素的影响,比如电极是如何连接的。如果电极没有连接,那么能量没有办法消耗,这时候刚度具有大值。

 

A 短路连接                B开路连接

如一个10mm×10mm×20mm的压电陶瓷电极未短路时,刚度值约为450N/µm,而电极短路后,刚度值约为200N/µm。这是因为机械的压力会产生电荷负载,在电极短路时,电荷可以流动,从陶瓷块中消除。而在开路的情况下电荷保持在陶瓷中积累,机械操作使得电极处产生电压,这个相当于压电陶瓷内部产生了电场,这个电场使得压电陶瓷稳定,阻碍其压缩,因此开路时刚度较大。

结论:

A方式引线短接,相当于电压控制,机械产生的电荷相对流动来保持压电陶瓷两端的电压恒定,电荷被消耗。

B方式引线开路,理论上相当于电荷或电流控制,机械力产生的电荷存留在压电陶瓷内,压电陶瓷电压随着负载力的变化而变化。 

开路电流控制的优势主要在于动态位移控制。

更大的系统刚度可以通过闭环位置控制获得,相较于闭环控制,开路电流控制的响应速度更快。

封装压电陶瓷的刚度

参数表里的刚度数值是移动端受力损失的位移,通过移动端或前端壳体外螺纹与外部机械结构连接后,整体的刚度降低,因为力的传输包括了陶瓷和壳体,在理论分析时需要将这一点考虑进去。

系统整体的刚度取决于所有的机械部分:比较弱的点经常是设计中连接结合点。

放大机构促动器的刚度

机构放大式结构促动器整体的刚度会降低。

出力约为压电陶瓷出力的1/n,整体的刚度降低到大约1/(n×n) (基于陶瓷的原始参数),n为机构放大倍数。

**参数表里的刚度数值是小信号电压控制下测得的,一定要注意刚度有±20%的公差,参数表里的数值用于理论分析。

 

 

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