压电双晶片驱动基础理论.docx

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1.13压电振子的振动模式四类压电振动模式，作用到压电振子上时，产生三类常用的振动：弯曲振动、伸缩振动和扭转振动，本方 案靠两个晶片均采用LE模式来实现压电双晶片端部弯曲运动一片伸长、一片缩短1.1.4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臂支撑，此方式可以产生最大的挠曲和柔顺系数（同时谐振频率较低），利于产生较人的惯性 冲击力，在悬臂式压电双晶片自由端连接质量块，构成自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116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：端部变位右和最大发生力F,见公式（2-16〉、（2-17 ）.PZT层金屈层图2-6悬臂双晶片的结构（tm）1.2压电双晶片振子的设计分析12.1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彼青铜基板刚性连接，再与压电晶片粘结在一起。

影响压电振子性能的参数主要有基板 的长度、宽度和厚度，压电晶片的长度、宽度和厚度等影响规律如下：1压电双晶片振子的自由端变形量在一定的变化范圉内，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卞，应尽量减小有效基板长度2压电双晶片振子的自由端变形量随基板厚度的增加而减少，一阶固有频率随基板厚度的增加而增大要 想获得较人的输出位移，可减少基板厚度，但刚度降低，一阶固有频率下降，稳定性卜•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.压电双晶片振子的自由端变形屋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屋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 若要获得较大的位移输出，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子刚度 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、晶片厚度明显增大输出位移宽度对变形和固有频率影响都很小有效基板长度对 振子的稳态变形影响较小，对振子一阶固有频率影响显著，有效基板长度越长，振子固有频率越低。

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+y2o瞬态响应yl是按指数规律衰减，阻尼越犬，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Uisinet,力F可表示%F=FOsincot,整个振子可以看作在力F作用下的强迫振动系统设系统的刚度系数和阻尼系数分别为k 和c,令n=c/2m,系统无阻尼自振角频率为⑺“，阻尼比= n/con»瞬态响应：yL = Ae~ntsinE^^/co^ — n2 ・ t + cr)式中振幅A和相位角a由初始条件确定时间t~8,响应y-*0 稳态响应：72 =sin湮— 2)2 + 4(1160)2tan(p =2na)co? — a)2当3 = 丁必―2沪时,系统振幅最人，发生共振当压电双晶片振子受到方波信号作用时，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，而且随着频率的增人，滞后量增人不同频率的方波激励位移响应，波形存在衰减振动，且沿夹持端短侧的振幅较大频率增加，响应波形逐 渐趋近于正弦波形。

jL /a })1删晰V删1删恻UVVV图2・10夹持差10mm时对方波信号的响应波形测量端部振幅与激励频率的关系：压电晶片：40mmX20mmX0.35mm基板：70mm X 20mm X 0.4mm质 量块：20mm X 8mm X 5mm X 2 块激励信号：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的压电双晶片振子的幅频特性曲线, 测试结果如下图所示频率用2图2-9压电双晶片振子与激励频率之间的关系。