由于压电陶瓷的铁电性,PZT材料会表现出典型的迟滞特性。如果电压先加在正极方向然后再加在负极方向(双极性)便可以得到以下曲线。
经过加载电压,位移曲线会沿着ABCDEF点进行
如果加大电压则位移会随之变大,位移点A受到电压大小以及陶瓷材料的稳定性(击穿电压)限制。如果给压电陶瓷加载反向电压,压电陶瓷则会收缩。去除电压,陶瓷会持久极化。因此电压为0时陶瓷的位置不是零点(B点)。如果继续加载负电压(所谓的矫顽电场强度,位置C),位移回到0点。
当负电压继续加大,压电陶瓷将会收缩。同时陶瓷的极化方向将会发生改变。D点偶极子的极化方向发生改变,因此陶瓷将随着负电压的增加再次伸长直到E点。如果负电压减小,压电陶瓷将会按照A至B点的方式回缩。B点成为持久极化点。通过继续加大电压(现在是正电压)元件收缩(到达点F)。随着极化方向的改变,继续加大电压,陶瓷膨胀到A点。
蝴蝶曲线图表明了,通过加载双极性电压,无法从电压确定陶瓷位移。例如,相同的电压,陶瓷的位置可能是G或者F。
因此,通常我们使用单极性电压驱动,在电压范围内,不超过击穿电压以及极化方向改变电压范围。压电陶瓷只展现出我们所熟知的膨胀特性。
叠堆压电陶瓷典型迟滞曲线
为了获得大位移,可以通过加载一定负电压的方式,大约是-10V~-20V(对于低压叠堆压电陶瓷来说),因此芯明天压电陶瓷可以在-20V-150V驱动电压范围内使用(但是由于使用寿命的因素,我们建议长期使用电压控制在0-120V以内)。
工作在安全电压范围内,迟滞曲线可看出迟滞宽是整体位移的10-15%左右,工作在小电压范围内,迟滞也会随之变小,详见上图。
闭环修正
压电陶瓷的迟滞特性使压电陶瓷的定位精度受到了一定的限制,为了消除迟滞特性以提高压电系统的定位精度,芯明天研发设计了装配传感器的闭环系统。传感器实时对预定位置进行检测,将偏移量以信号方式传给控制器,控制器再通过电压调节以修正位置的偏移,从而实现纳米级的定位精度。
芯明天的闭环传感器根据定位精度需求不同主要采用电阻式、电感式、电容式三种类型。
电容传感器的闭环线性度
芯明天压电产品均可选闭环版本,配套芯明天闭环控制系统,实现纳米级定位精度,稳定性好、可靠性高、已经成功应用于工业自动化以及航空航天等领域。
芯明天闭环压电定位器
芯明天闭环压电控制器
对于压电产品应用于工业自动化中,我们推荐工作电压为120V,以便获得较长的使用寿命。
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