Пьезо технология

Наклон между точками переключения локального гистерезиса определяется как коэффициент деформации d (GS):

Ползучесть

Ползучесть означает, что значение напряжения, приложенное к пьезоэлектрической керамике, не изменяется. Величина смещения не стабильна при фиксированном значении, но медленно изменяется со временем и достигнет стабильного значения через определенный промежуток времени, как показано на рисунке ниже. Как правило, ползучесть в течение 10 секунд составляет около 1% ~ 2% от относительного удлинения.

Примечание: Выбор пьезоэлектрических приводов с замкнутым
контуром позволяет устранить гистерезис и ползучесть.

Линейность и нелинейность

Гистерезис и ползучесть PZT могут быть эффективно устранены благодаря управлению с замкнутым контуром.



Температурная характеристика
Изменение температуры является крайне важным фактором, влияющим на точность нанопозиционирования пьезоэлектрической керамики. Характеристики пьезо- электрической керамики будут значительно меняться при изменении температуры. Рабочая температура многослойной пьезоэлектрической керамики составляет -25 °C ~ +80°C. Если использовать его при температуре выше 100 ° C, эксплуатационные характеристики керамики значительно снизятся. Повышение температуры в определенной степени повлияет на смещение пьезоэлектрической керамики, в зависимости от разницы температур от температуры Кюри. Если керамику нагреть до температуры Кюри, произойдет деполяризация, и пьезоэлектрический эффект исчезнет, и не сможет быть восстановлен. При снижении показателя относительно комнатной температуры, пьезоэлектрический эффект уменьшается. При низкой температуре менее 260 К потери составляют около 0,4% на К.


Предварительная нагрузка и грузоподъемность

Предел прочности пьезокерамики при растяжении очень низок, (около 5 МПа). В связи с этим рекомендуется добавлять определенное усилие предварительного натяжения во время установки и использования. Исходя из опыта, 7 МПа могут компенсировать растягивающее усилие, создаваемое высокой динамикой. Если это постоянная сила, то лучше не превышать 15 МПа. Усилие предварительного натяжения обычно составляет одну десятую от максимальной нагрузки привода. Для керамики с небольшой высотой боковое усилие создает силу сдвига, а относительно высокая керамика создает силу изгиба. Во время использования необходимо избегать того, чтобы эти две силы привели к повреждению керамики. Ограничение усилия предварительной нагрузки: когда керамика подвергается давлению, превышающему десятки МПа, начинает происходить механическая деполяризация, которая может быть повторно поляризована с при помощи высокого напряжения, но при этом эффективная энергия теряется, что отрицательно скажется на сроке службы компонента. Усилие предварительной нагрузки также создает натяжение, поэтому, когда высокая нагрузка, действующая на керамику, превышает предел прочности PZT на растяжение, это сокращает срок службы или повреждает керамику.

Жесткость

Жесткость пьезокерамики является важным параметром для расчета блокирующей силы, резонансной частоты и других
условий эксплуатации. Жесткость пьезоэлектрической керамики может достигать нескольких сотен ньютонов/микрон.
Рассчитывается следующим образом:


Жесткость пьезоэлектрических изгибов очень низкая (на несколько
порядков ниже, чем у обычной многослойной керамики).

Взаимосвязь между смещением и блокирующей силой

Смещение ΔL0: Смещение, создаваемое пьезоэлектрической керамикой. Это значение измеряется в условиях холостого хода.
В процессе деформации пьезоэлектрической керамики сопротивление отсутствует. После подачи напряжения на керамику
измеряется соответствующее смещение.
Блокирующее усилие Fmax: максимальное блокирующее усилие, создаваемое пьезоэлектрической керамикой. Это значение
представляет собой измеренное выходное усилие пьезокерамики при максимальном напряжении, и в то же время смещение
равно 0. Т.е. силе, которая противостоит нагрузке большой жесткости.

Предположим, что пьезоэлемент закреплен между двумя стенками и на пьезоэлемент подается
максимальное напряжение. Из-за высокой жесткости двух стенок пьезоэлемент не может быть
выдвинут, а смещение равно нулю. В это время выходное усилие является максимальным
блокирующим усилием. Но на самом деле любой объект будет обладать определенным модулем
упругости. Когда жесткость внешней механической конструкции равна нулю, на пьезоэлемент
подается максимальное напряжение, и пьезоэлемент производит максимальное смещение. В это
время блокирующая сила равна нулю. Взаимосвязь между блокирующей силой и перемещением
показана справа.

Пока существует жесткость во внешней механической структуре соединения, существует потеря смещения керамики. Чем больше жесткость внешней механической структуры, тем больше потеря смещения. Когда жесткость равна жесткости керамики, смещение и блокирующая сила составляют половину от максимального смещения и максимальной блокирующей силы. На рисунке ниже показана диаграмма зависимости смещения пьезоэлектрической керамики при различной нагрузке.




Резонансная частота

Резонансная частота пьезоэлектрической керамики отражает время отклика керамики и не может быть использована в качестве частоты для керамики. Резонансная частота обычно измеряется при небольшом управляющем сигнале, когда оба конца не закреплены. Когда один конец закреплен, резонансная частота может быть рассчитана по формуле:


Время отклика

Благодаря высокой частоте отклика пьезоэлектрическаякерамика быстро расширяется и сжимается при изменении напряжения. Поэтому пьезоэлектрическая керамика широко используется в технологии клапанов и затворов. Самое быстрое время отклика пьезоэлектрической керамики
зависит от ее резонансной частоты. Как правило, соответствующее смещение достигается в течение 1/3 времени резонанса пьезоэлектрической керамики.



Вакуумная совместимость

Пьезоэлектрический эффект совместим с вакуумной средой. Для вакуумных и сверхвысоковакуумных применений можно выбрать версию, совместимую с вакуумом.

Управление

Наша компания имеет множество типов пьезоэлектрической керамики с рабочим напряжением от 60 В до 1000 В. Работая ниже резонансной частоты, пьезоэлектрическая керамика эквивалентна конденсатору, и смещение зависит от количества заряда, накопленного в пьезоэлектрической керамике. Емкость зависит от площади поперечного сечения, толщины и пьезоэлектрического материала. Значение емкости в таблице параметров измерено при очень малом напряжении, низкой частоте, температуре 20°C и отсутствии нагрузки. Оно будет меняться при изменении амплитуды напряжения, температуры и механической нагрузки. При повышении температуры до 80°C емкость увеличивается примерно на 70% по сравнению с комнатной температурой и малым сигналом.



Пьезоэлектрическую керамику можно рассматривать как конденсаторы при малых сигналах, которые можно рассчитать по следующей формуле:


Динамическая сила

В динамических системах пьезоэлектрической керамики существуют сила тяги и выталкивания. Когда пьезоэлектрическая керамика используется в динамических приложениях, эти две силы проявляются попеременно. Даже если внешней нагрузки нет, динамические силы все равно необходимо учитывать. Поэтому в динамических применениях необходимо выбирать керамику с предварительным натяжением. Когда пьезоэлектрическая керамика используется на частоте Fdyn синусоидального сигнала, формула оценки динамической силы равна:

Эффективная масса meff равна 1/3 Эффективная масса meff равна 1/3 массы самой керамики плюс вес груза.



Разрешение

Пьезоэлектрическая керамика обладает очень высоким разрешением. Разрешение пьезокерамики, измеренное лазерным интерферометром, составляет 0,01 нм. Разрешение, которое может показывать пьезокерамика, зависит от минимального выходного сигнала источника питания. Пьезоэлектрический контроллер E00/E01 может достигать разрешения в одну стотысячную от полной амплитуды.

Температура Кюри

Когда температура пьезокерамики достигает температуры Кюри, пьезокерамика деполяризуется. Поэтому в процессе использования пьезоэлектрической керамики держите ее намного ниже температуры Кюри. Как правило, температура Кюри низковольтной пьезоэлектрической керамики составляет около 150 ~ 360 ° C, а температура высоковольтной керамики - около 215 ~ 340 °C.

Пьезо технология

Механизм шарнирного сгиба

1. Как правило, влияние трения гибких шарниров незначительно, но это весьма важно в требованиях к нанопозиционированию и не может быть проигнорировано. Стадия нанопозиционирования использует упругую деформацию гибкого шарнирного и механического механизма усиления. На следующем изображении показано применение гибких шарниров в пьезоэлектрических механизмах для достижения высокого разрешения и большего перемещения. Увеличительный механизм и механизм упругой нагрузки позволяют добиться сверхнизкого наклона для обеспечения прямолинейности.

2. Основными материалами пьезоэлементов являются алюминиевый сплав, нержавеющая сталь и т.д.
1) Основной алюминиевый сплав - легкий и высокопрочный дюралюминий. Он подходит для высокодинамичных и легких применений;
2) Основная сталь - это предварительно закаленная сталь с более высоким пределом текучести. Поскольку модуль Юнга этого материала в 3 раза превышает модуль упругости алюминиевого сплава, можно изготавливать пьезоэлектрические платформы высокой жесткости различного объема;
3) В дополнение к обычным материалам также используются материалы с более низкой скоростью теплового расширения. Из-за их низкой скорости теплового расширения они чаще всего используются для уменьшения последствий перепадов температуры. В дополнение к вышеуказанным материалам, другие материалы и обработка поверхности также могут быть настроены по индивидуальному заказу.

Встроенный сенсор

SGS Резистивный сенсор

Перемещение определяется по изменению сопротивления после деформации датчика SGS.
Функция:
Корректировка гистерезиса и ползучести пьезоэлектрическогоэлемента в процессе удлинения и сжатия.

Емкостный сенсор

Емкостный датчик состоит из двух параллельных электродных пластин. Две электродные пластины расположены соответственно на измерительном терминале и измеряемой цели. Изменение емкости между двумя электродными пластинами преобразуется в перемещение. Датчик обладает такими характеристиками, как высокое разрешение, высокая воспроизводимость и высокая стабильность.

Функция:
Когда расстояние между зондом датчика и измеряемой целью составляет определенное расстояние, выходной сигнал датчика равен нулю. Это расстояние называется "смещением". Установите диапазон измерения в соответствии с расстоянием смещения. Смещение обычно равно 5~10% от диапазона измерения. Выбираемый диапазон измерения зависит от внешнего диаметра измерительного зонда. Разрешение датчика по перемещению рассчитывается по следующей формуле:
Разрешение = Диапазон измерения/ширина выходного напряжения × Уровень шума



Управление сервоприводами

Датчик и контроллер должны быть откалиброваны, поэтому датчик и контроллер должны использоваться в соответствии один к одному, неправильное соединение может привести к повреждению.
Для многоосевого пьезопривода соответствующая ось должна быть соединена с выходным каналом, который был откалиброван с ней, поэтому обязательно обратите внимание на соответствующее соединение.

Увеличение выходного сигнала в режиме разомкнутого цикла составляет 15 раз, ввод аналогового сигнала 0~10V. То есть подача напряжения 0~150V на ступень нанопозиционирования. Ползучесть, гистерезис и нелинейные характеристики пьезоэлектрического элемента приведут к тому, что позиционирование будет не слишком точным. В режиме замкнутого цикла пьезоэлектрический контроллер всегда может определить положение на этапе нанопозиционирования, компенсировать и скорректировать его, поэтому командный сигнал 0~10V и смещение от 0 до максимума всегда сохраняют линейность.

Пример: Напряжение аналогового сигнала линейно подается в режиме разомкнутого и замкнутого циклов. Следующие значения аналогового входного сигнала расположены в порядке 0V→10V→0V

Диапазон хода: 120 μm, открытый контур 100 μm, замкнутый контур
Входное управляющее напряжение: 0V→10V→0V