[發明專利]基于非線性壓電效應預測壓電陶瓷剪切運動位移的方法

有效

• 申請號: 202010562181.2
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN111664781B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 薛勃
• 申請（專利權）人: 東北林業大學
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02;G01N33/38;H02N2/06
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

基于非線性壓電效應預測壓電陶瓷剪切運動位移的方法，涉及一種預測壓電陶瓷位移的方法。步驟一：搭建壓電陶瓷剪切疊堆位移測量平臺，分析壓電陶瓷剪切疊堆的壓電效應的響應狀態；步驟二：在恒定激勵電壓情況下，獲得壓電陶瓷剪切疊堆遵循壓電效應的最大響應頻率；步驟三：測量壓電陶瓷剪切疊堆在不同電壓和頻率激勵下的位移量，獲得與電壓及頻率相對應的位移實驗數據；步驟四：擬合提出的非線性壓電本構方程；步驟五：輸入電場及其頻率，得到相應的剪切應變量，實現對壓電陶瓷剪切運動位移進行預測。同時考慮電場強度及其頻率的依賴性，實現對壓電陶瓷剪切疊堆驅動器動態位移的準確預測。

技術領域

本發明涉及一種預測壓電陶瓷位移的方法，尤其是基于非線性壓電效應預測壓電陶瓷剪切運動位移的方法，屬于壓電陶瓷驅動技術領域。

背景技術

壓電陶瓷驅動器是精密定位系統中重要的主動單元，其主要是依靠多晶壓電陶瓷材料的逆壓電效應來實現電能向機械能的轉化，而這種材料特性行為可由壓電本構方程來描述。在壓電本構方程中，力-電耦合作用的紐帶是壓電常數，其可以定量地評價能量的轉化過程。目前，在大多數基于壓電陶瓷驅動的精密定位機構的研究中，常將壓電常數取為定值，從而用線性關系來描述驅動電壓實現的位移轉化量。然而，隨著微小型化技術的快速發展，人們對壓電驅動技術也不斷地提出更高的要求，以獲得更大的位移、更高的振動頻率。例如，隨著振動輔助切削技術在切削加工中從起初的改善切削條件到現在的實現織構化功能表面的加工，壓電驅動器所提供的刀具運動軌跡從起輔助作用而轉變為起決定微結構形狀尺寸的主導作用，這就需要刀具有更精準的運動軌跡和更大的運動幅度。但是，當壓電陶瓷材料內部的電場強度超過某一閾值時，其內部非180度疇壁的運動會導致最終的應變量不再隨電場線性相關，也就是壓電常數不再為定值而是依賴電場強度變化的。此外，當交變電場的頻率較高時，電疇的運動會跟不上電場的快速變化，從而也不再遵循線性的壓電效應。因此，考慮壓電陶瓷材料的電場及其頻率的依賴相關作用，建立相應的本構方程，實現對其在高壓高頻激勵下的位移預測具有重要的研究意義。

通常在壓電陶瓷的縱向、橫向以及剪切三種機械變形中，壓電剪切常數的數值最大，故在相同電壓條件下壓電陶瓷剪切變形能夠輸出最大的位移，同時壓電剪切疊堆能夠直接提供水平位移和彎曲變形，故有很大的應用潛力。對現有技術文獻總結發現，文獻“Shear response of lead zirconate titanate piezoceramics”，Muller和Zhang，Journal of Applied Physics,1998,83 (7):3754-3761，該文獻提出了壓電剪切常數隨電場的指數變化關系，得到了考慮電場相關的非線性壓電方程。文獻“Logarithmicfrequency dependence of the piezoelectric effect due to pinning offerroelectric-ferroelastic domain walls”Damjanovic,Physical Review B,1997,55(2):R649-R652，該文獻研究發現壓電縱向常數與指數頻率有線性相關性。然而，目前現有的研究中還沒有同時考慮電場及其頻率對壓電常數的影響，以實現對壓電陶瓷在高壓和高頻激勵下進行位移預測。

發明內容

本發明的目的是為了解決壓電陶瓷剪切疊堆驅動器在開環工作模式下受激勵電場強度及頻率變化的影響而表現出的位移非線性的行為，而目前現有壓電陶瓷材料的本構模型沒有同時考慮電場強度及其頻率的依賴性，進而提供基于非線性壓電效應預測壓電陶瓷剪切運動位移的方法，以實現對壓電陶瓷剪切疊堆驅動器動態位移的準確預測。

為實現上述目的，本發明采取下述技術方案：基于非線性壓電效應預測壓電陶瓷剪切運動位移的方法，包括以下步驟：

步驟一：搭建壓電陶瓷剪切疊堆位移測量平臺