Оценка рабочих параметров пьезоэлектрических микроактюаторов

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить устройство и принцип работы пьезоэлектрических микроактюаторов, получить навыки расчета и оценки их рабочих параметров.

 

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

1. Изучить теоретический материал по устройству и принципам работы пьезоэлектрических микроактюаторов.

2. Ознакомится с методикой расчета рабочих характеристик пьезоэлектрических микроактюаторов.

 

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Для оценки качества микроактюаторов используются следующие показатели: линейность, точность, погрешность, разрешение, воспроизводимость, гистерезис, пороговое значение, холостой ход, шум, дрейф, силовая характерстика, устойчивость, скорость, переходная характеристика, ранжирование, выход по мощности.

Качество пьезокерамики характеризуется следующими основными параметрами:

K^T₃₃ (e^T₃₃/e₀) — относительная диэлектрическая проницаемость;

tg δ — тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 кГц;

T_c (T_k) — температура точки Кюри;

K_p K₃₃ K₃₁ K₁₅ — коэффициенты электромеханической связи;

d₃₃, - d₃₁, d₁₅ — пьезоэлектрические модули;

g₃₃, g₃₁, g₁₅ — электрические коэффициенты по напряжению;

Y^E₁₁, Y^E₃₃ — модули Юнга;

N_L, N_T, N_R — частотные постоянные;

S^E₁₁ S^E₃₃ — параметр эластичности;

ρ — плотность;

Q_m — механическая добротность.

Численное значение данных показателей определяется физическими свойствами материала и процессов, характерных для него. В основе теории пьезоэлектрических актюаторов лежит прямой пьезоэлектрический эффект - появление электрических зарядов разного знака на противоположных гранях некоторых кристаллов при их механических деформациях: сжатии, растяжении и т.п., и обратный пьезоэлектрический эффект состоит в деформации этих же кристаллов под действием внешнего электрического поля.

Основная формула для прямого эффекта:

. (7.1)

Для обратного эффекта применяют выражение вида:

. (7.2)

где - модуль вектора электрического смещения, - напряжённость электрического поля, - относительная деформация, - механическое напряжение. Основными параметрами являются: - пьезоэлектрические коэффициенты, - коэффициенты упругой деформации, коэффициенты диэлектрической проницаемости .

Для пьезоэлектрического материала характерно появление поляризационного заряда при его механической деформации и наоборот, если пьезоэлектрический материал внести в электрическое поле, то можно наблюдать изменение его длины. Электрическая поляризация (P = D-ε ₀E), которая связана с поверхностным зарядом, в первом приближении увеличивается линейно относительно механического напряжения σ. Материальный закон изменения поляризации выражен так:

или Р = D_t – ε _tk∙ Е_t. (7.3)

Электрическое смещение D и напряжённость поля E - векторы, механическое напряжение σ и деформация ε - это тензоры второго ранга.

При максимальной напряжённости поля () относительная продольная деформация лежит в диапазоне:

. (7.4)

Электромеханический коэффициент связи k_p показывает ту долю механической энергии, которая преобразуется в электрическую энергию. Это относится как к прямому, так и к обратному пьезоэлектрическому эффекту.

Для эффективного преобразования энергии, естественно, должен быть достигнут высокий коэффициент связи.

Линейностьопределяет зависимость выходного сигнала как функцию от входного сигнала.

 

 

Рис. 7.1. Линейность пьезоматериалов

 

Линейность может выражаться как процент от полного выходного сигнала. На рис. 7.1 показаны опорные линии - линии, отражающие лучшее соответствие сигнала, и линия, построенная по терминальным точкам.

 

 

 

Рис. 7.2. Характеристики активации пьезоматериала

 

Точность показывает насколько точно и воспроизводимо выполнена искомая активация. Погрешность определяет разность между реальным перемещением и целевым.

, (7.5)

, (7.6)

где ВПД - выход полного диапазона величин работы датчика.

Разрешение имеет три определения: 1) Наименьший обеспечиваемый шаг, 2) Наименьшее приращение входа, приводящее к обнаружению активации, 3) Наименьший определяемый шаг.

Воспроизводимость характеризует отклонение выходного сигнала по циклам работы:

, (7.7)

где i и k определяются по i -му и k -му циклу работы.

Гистерезис, холостой ход и шум пьезоэлемента характеризуют его способность возвращать исходные размеры после изменения направления выходного сигнала. Гистерезис это - разница между выходным сигналом актюатора Y, когда Y получают в двух противоположных направлениях.

·

 

Рис. 7.3. Гистерезис изменения воспроизводимости пьезоматериала

 

Рис. 7.4. Холостой ход

 

Пороговое значение – это, начиная с нулевого входного сигнала, наименьшее начальное приращение входа, которое приводит к обнаружению выходного сигнала актюатора.

« Мёртвый» ход - холостой ход после смены направления.Шум - это флуктуации (случайные изменения) в выходном сигнале с нулевым входом.

Дрейф - это изменение выходного сигнала актюатора (с постоянным входом) в зависимости от изменения времени, температуры и т.д.

 

 

 

 

Рис. 7.5. Силовая зависимость перемещения пьезоэлемента

 

Силовая характеристика и устойчивость пьезоматериала. Нагрузка изменяет свойства актюатора при этом кривая сила-перемещение (линия F-X) даёт статическую характеристику.

 

 

Рис. 7.6. Скорость пьезоэлемента

 

Амплитуда - это полный рабочий диапазон выходного сигнала актюатора.Чувствительность - это отношение изменения выходного сигнала актюатора Δ Y к изменению приращения входного сигнала Δ X:

. (7.8)

Скорость - это интенсивность, с которой изменяется выходной сигнал актюатора:

(7.9)

Переходная характеристика - это резкое изменение выходного сигнала актюатора в ответ на ступенчатый входной сигнал.

, (7.10)

где η - выход по энергии, V – объём пьезоэлемента.

Деформации пьезоэлектрика - это возникающие вследствие пьезоэффекта деформации, незначительные по абсолютной величине, что объясняется их очень высокой жесткостью.

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

4.1. Изучить теоретический материал.

4.2. Ознакомиться с методикой оценки параметров пьезоактюаторов.

4.3. Получить задание на выполнение работы (см. табл. 7.1)

Таблица 7.1

 

Данные	Варианты
dtk	0, 13	0, 15	0, 16	0, 14	0, 15	0, 17	0, 18	0, 12	0, 15	0, 18
Et (Кл/м)
ε tk	1, 1	1, 2	1, 3	1, 8	2, 0	2, 2	2, 5	3, 1	3, 3	3, 6
σ k (Па)	0, 30	0, 35	0, 40	0, 45	0, 50	0, 55	0, 60	0, 65	0, 70	0, 75
Stk (м)	0, 01	0, 02	0, 03	0, 04	0, 05	0, 06	0, 06	0, 05	0, 04	0, 03

 

Данные	Варианты
dtk	0, 12	0, 17	0, 26	0, 27	0, 15	0, 14	0, 16	0, 11	0, 13	0, 16
Et (Кл/м)
ε tk	1, 8	1, 25	1, 12	1, 38	1, 35	1, 25	1, 38	3, 5	3, 2	5, 3
σ k (Па)	0, 80	0, 85	0, 90	0, 95	0, 19	0, 15	0, 17	0, 15	0, 2	0, 3
Stk (м)	0, 09	0, 02	0, 03	0, 04	0, 05	0, 07	0, 06	0, 05	0, 08	0, 03

 

4.4. Выполнить расчет показателей линейно-поляризованного излучения, используя формулы (7.1-7.10).

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать:

5.1. Расчеты, выполненные в последовательности, соответствующей общему порядку выполнения работы.

5.2. Оценку данных, полученных в результате расчетов.

 

 

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

6.1. Назовите параметры, характеризующие качество пьезокерамики.

6.2. Каким законом характеризуется явление прямого пьезоэффекта.

6.3. Каким законом характеризуется явление обратного пьезоэффекта.

6.4. Охарактеризуйте силовую характеристику пьезокерамики.

6.5. Охарактеризуйте понятие «холостой ход» пьезокерамики.

6.6. Поясните, какие параметры определяют скорость процессов происходящих в пьезокерамике.

6.7. Приведите рекомендации для повышения эффективности работы устройств на основе пьезокерамики.