压电双晶片驱动基础理论

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1、1.1压电驱动基础理论1.1.1压电陶瓷的性能参数PZT1•介电常数2.弹性常数3.压电常数4•机电耦合系数5.机械品质因数Qm6.工作条件参数1.1.2压电方程四类边界条件对应四类压电方程。1丄3压电振子的振动模式四类压电振动模式，作用到压电振了上时，产生三类常用的振动：弯曲振动、伸缩振动和扭转振动，木方案靠两个晶片均采用LE模式來实现压电双晶片端部弯III］运动。一片伸长、一片缩短。㊉1.1.4压电双晶片的基础理论使用并联方式作为压电双晶片的电压驱动方式1.1.5选择悬臂式压电双晶片振子本方案采用悬愕支撑，此方式可以产牛最大的挠

2、曲和柔顺系数（同时谐振频率较低），利于产生较大的惯性冲击力，在悬臂式压电双晶片口由端连接质量块，构成口由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片振子，作为惯性冲击驱动器的驱动单元，结构简图。图2-5悬臂式压电双晶片振子的结构简图1.1.6压电双晶片基本参数忽略质量块产生的机械应力的作用，则应变S=dE,应变和电场强度成正比。为了获得大的静态位移,在使用时应选择具有较高压电常数d的陶瓷材料，压电晶片为容性负载。主要参数：端部变位6和最大发牛力F,见公式（2・16）、（2-17）.PZT层金属层图2・6悬臂双晶片的结构（tm）1.2压电双晶片振

3、子的设计分析1.2.1自由端变形和固有频率随设计物理参数变化规律惯性块和基板皴青铜基板刚性连接，再与压电品片粘结在一起。影响压电振子性能的参数主要有基板的t度、宽度和厚度，压电晶片的长度、宽度和厚度等。影响规律如下：L圧电双晶片振子的白由端变形量在一定的变化范围内，随着基板的长度的增加，一阶固有频率减少。因此，在满足机构的结构尺寸及振子的装夹需要的前提下，应尽量减小有效基板长度。2.压电双晶片振子的口由端变形量随基板厚度的增加血减少，一阶固有频率随基板厚度的增加而增大。耍想获得较人的输岀位移，可减少基板厚度，但刚度降低，一阶固有频率

4、下降，稳定性下降，不能承受过高的电压，因此在选择双晶片是要权衡输出位移和刚度稳定性。3.压电双品片振子的口由端变形量与一阶固有频率随压电晶片长度增加而增加，但增大趋势逐渐减弱。4.压电双晶片宽度对压电振子端部变形及一阶固有频率的影响均很小。5.双晶片振子的自由端变形量随压电晶片厚度的增加而减少，一阶固有频率随压电晶片厚度的增加而增加。若要获得较人的位移输出，可以减小压电晶片厚度，但是压电晶片越薄，整个悬臂式压电双晶片振了刚度降低，一•阶固有频率下降，并且不能承受太高的电压输入。综上，减小基板、品片厚度明显增大输出位移。宽度对变形和固

5、有频率影响都很小。有效基板长度对振了的稳态变形影响较小，对振了一阶固冇频率影响显著，冇效棊板长度越长，振了固冇频率越低。因此，应尽量减小有效基板长度。具体参数可参考马希理3.2最后1.2.2周期性激励压电双晶片振子111TF=F0sin(ot图2・7压电振子简化模型总响应是瞬态响应和稳态响应之和：y=yl+y20瞬态响应yl是按指数规律衰减，阻尼越大，振幅衰减的就越快。稳态响应y2是与激励力同频率的稳态振动，当电源信号成正弦变化即U=Vsincot,力F可表示为F=FOsino)t,整个振子可以看作在力F作用下的强迫振动系统。设系统

6、的刚度系数和阻尼系数分別为k和c,令n=c/2m,系统无阻尼自振角频率为sn,阻尼比«=n/o)n。瞬态响应：y1=Ae~ntsmQ3盒—沪•上+町OoFo式中振幅A和相位角a由初始条件确定。时间t-*00,响应y稳态响应：y2=——sin(cot—cp)mJ(3盒_少2)2+4(720))22na)tan(p=—7当3=如一2/时，系统振幅最大，发生共振。当压电双晶片振了受到方波信号作川时，由傅立叶逆变换町知其响应为方波响应。系统响应滞后于电压信号，而且随着频率的增大，滞后量增大。不同频率的方波激励位移响波形存在衰减振动，且沿夹持

7、端短侧的振幅较大。频率增加，响M波形逐渐趋近于正弦波形。f//>////1C/VUU图2-10夹持差10mm时对方波信号的响应波形测罐端部振幅与激励频率的关系：压电晶片：40mmX20mmX0.35mm慕板：70mmX20mmX0.4mm质量块：20mmX8mmX5mmX2激励信号：20V方波通过从1Hz至50Hz的频率扫描方式分别测取有效基板长度为60mm的压电双晶片振了的幅频特性曲线,测试结果如下图所示。频率/HzU3.M-3富浚图2・9压电双品片振子与激励频率之间的关系