压电陶瓷微位移器的非线性修正

　　0　引言

　　随着科学技术的发展,许多领域越来越迫切需要微型系统和微动系统,例如,生物细胞的切割、脑外科手术、扫描探针显微镜、光纤对接、微细加工、半导体制版的精密定位、微动机器人和精密加工等.尤其是机械制造领域中的精密加工和超精密加工是当今现代制造技术的重要发展方向,而精密微位移机构又是现代超精密加工的关键技术,它不仅是精密加工和超精密加工中的重要进给元件,而且是动态和静态误差补偿控制系统的关键元件.当今使用的微位移机构有机械传动式、电致伸缩式、压电陶瓷式、弹性变形式等多种方法.而压电陶瓷微位移器以其体积小、承载力大、精度高、位移分辨率高和不产生噪声等优点而成为目前最有前途的微位移执行器件.它已经在扫描隧道显微镜及微动机器人的精密微量进给、超精加工、生物工程、微电子工程和机器人装配等的超微定位以及在行波主动控制、主动隔振系统中得到了广泛的应用.

　　1　压电陶瓷微位移器的特性

　　压电效应反映了压电材料的弹性变形和介电性之间的耦合作用关系.当压电材料在外力作用下发生变形时,在其表面上将产生异性电荷,这种没有电场作用,只有由于形变而产生电荷的现象叫做正压电效应.当给这种压电材料施加一个电场时,这种材料不仅会产生极化,而且还会产生形变,这种由于有电场的作用而产生形变的现象被称为逆压电效应或电致伸缩效应.

　　作为一种执行器,压电陶瓷微位移器应具备以下性能:

　　a.灵敏度高,即单位电压变形大.

　　b.控制电压与变形(输出)成线性关系.

　　c.体积小、稳定性好、不老化、重复精度高等.

　　然而,实际情况并非如此,根据电致伸缩效应原理,压电陶瓷片在直流电场作用下产生的变形与电场强度的平方成正比,即电致伸缩的方程为:

　　实际使用中,压电陶瓷微位器有梁式和层叠式两种结构.梁式结构的位移大,但是负载能力小,应用范围受到限制.为了获得较大的变形量和良好的输出特性,一般多选择层叠式结构,即将许多陶瓷片叠起来使用,机械上串联,电路上并联.层叠式压电陶瓷执行器的总伸缩量可以按下式求出:

　　式中

　　L—总伸缩量

　　n—片数

　　M—电致伸缩系数

　　U—电压

　　h—每片厚度

　　由上式可知,从理论上电压与伸长量之间就是非线性的;另外,对于外加控制电压来说,压电陶瓷相当于一个平行板电容器,这也增加了输出的非线性;此外,每层之间的粘结剂的弹性变形也会使输出的线性更加恶化.因而,压电陶瓷微位移器的输入电压与输出位移之间存在着很大的非线性和迟滞性,实际使用的微位移器的输入电压与输出位移之间的关系曲线如图1所示.