压电陶瓷执行器迟滞与非线性成因分析.pdf

第11卷第3期光学精密工程Vol.11No.3
2003年6月OpticsandPrecisionEngineeringJun.2003

文章编号10042924X(2003)0320270206
压电陶瓷执行器迟滞与非线性成因分析

崔玉国1,孙宝元1,董维杰2,杨志欣1
(1.大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116023;
2.大连理工大学电子与信息工程学院,辽宁大连116023)

摘要:从微观上系统分析了电致伸缩效应、逆压电效应和铁电效应的位移机理,表明:三种效应的位移机理是根本不同
的;压电陶瓷执行器的位移主要是由逆压电效应、铁电效应所引起的,电致伸缩效应对位移的贡献极其微弱,可以忽略不
计;单纯的逆压电效应是线性的,而铁电效应则是迟滞非线性的。指出了非180°电畴转向与转向的不完全可逆,分别是
造成压电陶瓷执行器非线性和迟滞的根本原因。通过实验研究了驱动电压幅值、驱动电压频率、驱动循环次数及晶片厚
度对压电陶瓷执行器迟滞和非线性的影响。
关键词:执行器;压电陶瓷;迟滞;非线性
中图分类号:TP21文献标识码:A

Causesforhysteresisandnonlinearityof
piezoelectricceramicactuators

CUIYu2guo1,SUNBao2yuan1,DONGWei2jie2,YANGZhi2xin1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China;
2.SchoolofElectronicandInformationEngineering,
DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)

Abstract:Thedisplacementmechanismsofelectrostrictiveeffect,inversepiezoelectriceffectandferroelec2
triceffectaresystematicallyanalysedinamicrocosmicway,andtheresultsofanalysesindicatethatthedis2
placementmechanismsofthesethreeeffectsaretotallydifferent;thedisplacementofpiezoelectricceramic
actuatorsismainlyduetoinversepiezoelectriceffectandferroelectriceffect;thecontributionofelectrostric2
tiveeffecttothedisplacementissolittlethatitcanbeneglected;pureinversepiezoelectriceffectislinear,
whileferroelectriceffectishystereticandnonlinear.Itispointedoutthatthenon2180°turnofferroelectric
domainanditsincompletereversibilityaretheessentialcausesfornonlinearityandhysteresisofpiezoelectric
ceramicactuatorsrespectively.Theinfluencesofdrivingvoltageamplitude,drivingvoltagefrequency,
numberofdrivingvoltagecycles,andwalferthicknessonthehysteresisandnonlinearityofpiezoelectricce2
ramicactuatorsarestudiedthroughexpeirments.
Keywords:actuators;piezoelectricceramics;hysteresis;nonlinearity

械、微电子、计算机、精密加工、精密光学、生物医
1引言[122]
学、机器人、航空航天等领域。但是,它同时也
压电陶瓷执行器具有许多其它执行器无可比存在着明显的不足———在较高电场的作用下产生
拟的优点,如位移分辨率高、机电耦合效率高、响严重的迟滞和非线性,从而极大地限制了它在微
应快、功耗小、无噪声等,所以被广泛应用于微机纳米定位技术中的应用。

收稿日期:2002206210;修订日期:2003204205.
基金项目:国家自然科学基金重点基金资助项目(No.50135040