НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЕЙ

Пьезоэлектрические технические средства для создания микроперемещений широко применяются в системах управления адаптивной оптикой, в технологических мехатронных и робототехнических комплексах, в подвижках микроскопов и других оптических приборов в качестве исполнительных устройств. Везде, где они применяются, постоянно растут требования к стабильности их статических и динамических характеристик, что главным образом определяет качество переходных процессов и точностные свойства систем управления. Главной причиной этой нестабильности является флуктуация свойств и параметров пьезокерамики, из которой изготовлен активный элемент пьезодвигателя. Конечно, решать данную проблему нужно в первую очередь, повышая качество пьезокерамики, над чем активно работают многие производители. По объективным причинам полной стабильности свойств материалов достичь не возможно. Представляется, что есть и другой путь, который заключается в разработке новых робастных алгоритмов управления такими устройствами, обеспечивающих субмикронную точность позиционирования объектов и высокое качество переходных процессов в условиях действия внутренних и внешних возмущений. Для этого нужно выявить основные негативные факторы, влияющие на изменение свойств материалов, и оценить возможные диапазоны изменения их параметров. Используя полученную информацию и математическое описание пьезоэлектрических исполнительных устройств, можно рассчитать и построить области возможного изменения уже их характеристик. Полученные данные позволят построить желаемые алгоритмы управления.

В данной статье эта задача решается на примере составного пьезодвигателя с активным элементом из пьезокерамики ЦТС-19. В качестве основных дестабилизирующих факторов будем рассматривать: температуру, воздействие электрического поля, старение и технологический разброс параметров [6, с. 5].

Основные параметры пьезокерамики. Пьезокерамика системы ЦТС (цирконат-титанат-свинца) и ее зарубежный аналог PZT являются наиболее распространённым видом пьезокерамики. К основным её параметрам относятся пьезомодуль в направлении рабочих деформаций, модуль Юнга, коэффициент электромеханической связи, механическая добротность и относительная диэлектрическая проницаемость. Они определяют диапазон перемещений, упругие и резонансные свойства, эффективность преобразования электрической энергии в механическую, степень затухания колебательных процессов [1]. В таблице 1 приведены численные значения указанных параметров пьезоматериалов [5, с. 7]. Анализ результатов экспериментальных исследований пьезоматериалов показывает, что механическая добротность и модуль Юнга остаются неизменными при влиянии указанных внешних факторов, относительная диэлектрическая проницаемость , пьезоэлектрический модуль и коэффициент электромеханической связи изменяются. Так как коэффициент электромеханической связи зависит от двух других рассматриваемых параметров [2, с.44], то далее рассматриваются только изменения и .

Таблица 1

Основные характеристики пьезоматериалов

Параметр	Обозначение	Единицы измерения	Марка материала
Параметр	Обозначение	Единицы измерения	ЦТБС-3	ЦТСНВ-1	ЦТС-19	ЦТС-19М	ЦТСтБС-1	ЦТССт-3	ПКВ-460
Относительная диэлектрическая проницаемость	ε^T₃₃/ε₀	—		2325	1650	1850	4100	1400	1450
Тангенс угла диэлектрических потерь	tg δ	—	0,012	0,022	0,030	0,025	0,027	0,008	0,003
Пьезоэлектрический модуль	(-) d₃₁	10^-12 Кл/Н	158	200	155	183	289	130	145
Пьезоэлектрический модуль	d₃₃	10^-12 Кл/Н	360	425	360	410	600	290	315
Коэффициент электромеханической связи	k₃₁	—	0,3	0,34	0,29	0,35	0,38	0,31	0,33
Коэффициент электромеханической связи	k₃₃	—	0,64	0,67	0,64	0,72	0,73	0,67	0,71
Механическая добротность	Q_m	—	200	70	90	90	50	800	1200

В таблице 2 приведены предельные изменения параметров пьезоматериалов [5, с. 9]. В первой колонке указан технологический разброс значений диэлектрической проницаемости и пьезомодуля при изготовлении пьезокерамики, во второй – данные по температурной стабильности и в третьей – данные по временной стабильности (естественное старение, которое максимально наблюдается в первые 2 года после выпуска пьезокерамики). Из таблицы 1 видно, что в среднем значение каждого из рассматриваемых параметров изменяется относительно колонки в среднем до ± 20, в то время как в общей сложности они могут изменяться до 55%.

Таблица 2

Предельные изменения параметров пьезоматериалов

Марка материала	Норма изменения параметров пьезоматериала по ТУ, %		Изменение параметров пьезоматериала после воздействия климатических факторов: повышенной и пониженной предельных температур ±60 °С, %		Предельные изменения значений параметров за период старения 2 года в отапливаемом помещении, %
Марка материала	ε^T₃₃/ε₀	d₃₁, 10^-12Кл/Н	ε^T₃₃/ε₀	d₃₁, 10^-12Кл/Н	ε^T₃₃/ε₀	d₃₁, 10^-12Кл/Н
ЦТБС-3	±19,2	от 0 и выше	±20,0	±17,0	-14,0	-17,0
ЦТСНВ-1	±21,0	от 0 и выше	±22,0	±20,0	-13,0	-13,0
ЦТС-19	±20,0	от 0 и выше	±10,0	±10,0	-10,0	-10,0
ЦТС-19М	±20,0	от 0 и выше	±10,0	±10,0	-10,0	-10,0
ЦТСтБС-1	±10,4	от 0 и выше	±10,0	±10,0	-12,0	-12,0
ЦТССт-3	±14,3	от 0 и выше	±10,0	±10,0	-9,0	-9,0
ПКВ-460	±13,4	от 0 и выше	±8,0	±8,0	-7,0	-7,0

Очень важным эксплуатационным фактором является действие постоянного электрического поля. Условно, электрические поля можно разделить на слабые (до 75 В/мм), средние (до 300 В/мм) и сильные (более 300 В/мм). Изменение пьезомодуля в слабых полях не превышает 5%, в средних – 27% и в сильных – свыше 27% и до потери керамики пьезоэлектрических свойств [4, с. 4-5].

Оценка влияния изменения диэлектрической проницаемости и пьезомодуля на параметры пьезодвигателя. Математическая модель пьезодвигателя может быть представлена функцией вида (1):

НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЕЙ

На основе рассмотренных формул и данных, представленных в таблицах, были построены области статических и динамических характеристики двигателя, актюатор которого изготовлен из пьезокерамики ЦТС-19 при максимально допустимых изменений параметров диэлектрической проницаемости и пьезомодуля (рисунок 1,2). На рисунке 1 заштрихованная область показывает расположение всех статических характеристик пьезодвигателя в зависимости от начальных технологических параметров пьезокерамики и согласно изменению пьезомодуля в различных видах постоянных полей, кривая 1 – статическая характеристика пьезодвигателя при максимальных технологических и рассматриваемых параметров, кривая 2 – при минимальных технологических и рассматриваемых параметров.

Рисунок 1. Статическая характеристика пьезодвигателя

Переходные характеристики пьезодвигателя представлены на рисунке 2.

Рисунок 2.Динамические характеристики пьезодвигателя

Область голубого цвета определяет границы, где будут находиться все переходные характеристики пьезодвигателя при изменении диэлектрической проницаемости и пьезомодуля. W2 – переходная характеристика пьезодвигателя при минимальных технологических параметрах пьезокерамики и единовременном уменьшении – переходная характеристика пьезодвигателя при максимальных технологических параметрах пьезокерамики и их увеличении. Результаты моделирования подтверждают, что остальные характеристики попадут в эту область ( W1 и W4).

Заключение

Для того, чтобы оценить влияние основных внешних факторов на параметры пьезокерамики, в работе учитывались:

— технологический максимальный разброс значений параметров керамики;

— изменение параметров при изменении температуры;

-изменение параметров при действии временных факторов – естественного старения, которое имеет существенное значение в первые 2 года после выпуска керамики. Основываясь на результатах моделирования, можно сделать вывод о том, что изменение параметров керамики влияет

изменение коэффициента передачи пьезодвигателя – в пределах 94%;
на время переходного процесса (в меньшей мере) – в пределах 31%;
на значение перерегулирования (в меньшей мере) – от 22 до 38%.

Полученная информация является исходной для построения робастных алгоритмов управления пьезоэлектрическими исполнительными устройствами.

Список литературы:

Бардин В.А., Васильев В.А. Актюаторы нано- и мироперемещений для систем управления, контроля и безопасности // Современная техника и технологии. 2014. № 2 [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 15.02.2016).
Бобцов А.А., Бойков В.И., Быстров С.В., Григорьев В.В. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. – СПБ ГУ ИТМО, 2011.- 131 с.
Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления: Справочник. – СПб.: Политехника, 1994.-60 с.: ил.
Ланин В.А. Старение пьезокерамики системы ЦТС под действием электрических и механических напряжений: автореф. дис. …канд. техн. наук. Томск, 2006.
Справочный каталог ООО «Аврора-ЭЛМА» [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 17.02.2016).
Угрюмова М.А. Современные и перспективные пьезокерамические материалы: ЦНИИ «Ремб». – Ленинград, 1979,-104 с.[schema type=»book» name=»НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОДВИГАТЕЛЕЙ» description=»В данной статье рассматривается влияние на характеристики пьезодвигателей различных факторов. К ним относятся: технологический разброс параметров, изменение температуры, воздействие электрических полей, старение материалов и т.д. Так как основные рабочие элементы двигателей данного типа выполняются из пьезокерамики, то особое внимание уделяется изменениям диэлектрической проницаемости и пьезомодуля. На основе анализа математической модели составного пьезодвигателя оценивается влияние флуктуаций данных параметров пьезокерамики на основные его статические и динамические характеристики, строятся области возможного их изменения.» author=»Быстров Сергей Владимирович, Григорьев Валерий Владимирович, Малофеева Ольга Александровна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-27″ edition=»euroasia-science.ru_26-27.02.2016_2(23)» ebook=»yes» ]

euroasia

Похожие записи