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压电陶瓷刚度

更新时间：2021-02-07 15:57:05点击次数：2970次
压电陶瓷可以被描述成具有恒定刚度系数的机械弹簧。刚度对于压电陶瓷的谐振频率和出力特性起着非常重要的作用。

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陶瓷刚度与它的横截面积A成正比，陶瓷刚度随着陶瓷长度L0的增加而降低。
例：横截面积5×5mm2，长度为9mm的刚度为

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横截面积不变，长度变为18mm，刚度则变为60N/µm。如果致动器的横截面积为10mm×10mm，长为18mm时，则刚度值为240N/μm。
但是以上的公式不能完全反馈实际情况，因为刚度还取决于如何使用（动态、静态操作），环境（负载、供电参数、小信号或大信号操作），这样可以改变两个或者更多的因素，因此这时候的公式仅能粗略的给出预期的性能。
然而实际情况下刚度还受到其他方面因素的影响，比如电极是如何连接的。如果电极没有连接，那么能量没有办法消耗，这时候刚度具有最大值。图片

A 短路连接                B开路连接

如一个10mm×10mm×20mm的压电陶瓷电极未短路时，刚度值约为450N/μm，而电极短路后，刚度值约为200N/μm。这是因为机械的压力会产生电荷负载，在电极短路时，电荷可以流动，从陶瓷块中消除。而在开路的情况下电荷保持在陶瓷中积累，机械操作使得电极处产生电压，这个相当于压电陶瓷内部产生了电场，这个电场使得压电陶瓷稳定，阻碍其压缩，因此开路时刚度较大。


结论

A方式引线短接，相当于电压控制，机械产生的电荷相对流动来保持压电陶瓷两端的电压恒定，电荷被消耗。
B方式引线开路，理论上相当于电荷或电流控制，机械力产生的电荷存留在压电陶瓷内，压电陶瓷电压随着负载力的变化而变化。 
开路电流控制的优势主要在于动态位移控制。
更大的系统刚度可以通过闭环位置控制获得，相较于闭环控制，开路电流控制的响应速度更快。



封装压电陶瓷的刚度

参数表里的刚度数值是移动端受力损失的位移，通过移动端或前端壳体外螺纹与外部机械结构连接后，整体的刚度降低，因为力的传输包括了陶瓷和壳体，在理论分析时需要将这一点考虑进去。
系统整体的刚度取决于所有的机械部分：比较弱的点经常是设计中连接结合点。



放大机构促动器的刚度

机构放大式结构促动器整体的刚度会降低。
出力约为压电陶瓷出力的1/n，整体的刚度降低到大约1/（n×n） (基于陶瓷的原始参数)，n为机构放大倍数。
**参数表里的刚度数值是小信号电压控制下测得的，一定要注意刚度有±20%的公差，参数表里的数值只用于理论分析。



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