Характеристики пьезоэффекта для ряда пьезоматериалов

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

. (2.24)

В результате достижимый диапазон управления мал, но при помощи напряжения можно очень точно управлять перемещением. В отличие от большинства других принципов активации, нельзя достигнуть более низкого предела, получаемого на атомном уровне. Эта особенность используется в растровом туннельном микроскопе или в микроскопе атомной силы, для получения разрешения ниже, чем атомный диаметр 10^-10-10^{-12 m.}

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. Однако коэффициент связи нельзя приравнивать к эффективности. Так как, в принципе возможно восстановление накопленной энергии, а значит эффективность может быть намного больше коэффициента связи.

Рис. 2. 13. Линейность пьезоматериалов

Существует ряд физических свойств характеризующих процесс-сы преобразования энергии в кристаллах пьезоматериалов.

Линейность.Определяет линейность выходного сигнала как функцию входного. Максимальная разница между опорной линейной линией и выходом актюатора.Выражена как процент полного выхода. Опорные линии: линия, обеспечивающая лучшее соответствие, и линия, построенная по терминальным точкам.

2.14. Характеристики активации пьезоматериала

Точность, погрешность, разрешение.

·Точность: насколько точно и воспроизводимо выполнена искомая активация. Погрешность: определяет разность между реальным перемещением и целевым (2.25).

, (2.25)

. (2.26)

где ВПД - выход полного диапазона

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 (2.27):

(2.27)

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

·

Рис.2.15. Гистерезис изменения воспроизводимости пьезоматериала

Рис. 2.16. Холостой ход

Гистерезис, пороговое значение, холостой ход, 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.
·Пороговое значение: Начиная с нулевого входного сигнала, наименьшее начальное приращение входа, которое приводит к обнаружению выходного сигнала актюатора (значение «a» на рис).«Мёртвый» ход: холостой ход после смены направления («b»).·Шум: флуктуации (случайные изменения) в выходном сигнале с нулевым входом.

Рис. 2.17. силовая зависимость перемещения пьезоэлемента

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

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

Рис. 2.18. Скорость пьезоэлемента

Амплитуда и чувствительность. Амплитуда это полный рабочий диапазон выходного сигнала актюатора.·Чувствительность: отношение изменения выходного сигнала актюатора ΔY к изменению приращения входного сигнала ΔX (2.28):

. (2.28)

Скорость и переходная характеристика. ·Скорость это интенсивность, с которой изменяется выходной сигнал актюатора:

(2.29)

·Переходная характеристика: резкое изменение выходного сигнала актюатора в ответ на ступенчатый входной сигнал.

Ранжирование это оценка сопоставления разных методов активации:

, (2.30)

где η - выход по энергии, V - объём.

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, весьма незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100В изменяет свою толщину всего на 2,3 х 10^-7мм. Незначительность величин деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.