耦合PZT/GMM微动力构件及其输出力影响因素测试

2017-11-07廖胜凯徐爱群吴礼琼于海阔

中国测试 2017年10期

关键词：磁通量气隙驱动器

廖胜凯，徐爱群，吴礼琼，于海阔

（1.浙江科技学院机械与汽车工程学院，浙江杭州 310023；2.浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州 310014)

耦合PZT/GMM微动力构件及其输出力影响因素测试

廖胜凯1，徐爱群1，吴礼琼1，于海阔2

（1.浙江科技学院机械与汽车工程学院，浙江杭州 310023；2.浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州 310014)

在压电陶瓷（PZT)和超磁致伸缩材料（GMM)两种功能材料的特性研究基础上，设计一种耦合PZT/GMM微动力构件。通过分析微动力构件的工作原理，得知其输出力受到电压、气隙、温度等因素的影响。该文就电压和气隙两种影响因素分析微动力构件的输出力，通过对比理论分析和实验结果得到：在10～120V电压调节范围内，电压升高微动力构件输出力呈非线性增长，且这种增长效应在气隙越小时表现越明显；恒定电压条件下，在0～1.2mm微动力构件气隙增大，微动力构件输出力呈非线性减小。

压电陶瓷；超磁致伸缩材料；微动力；电压；气隙

0 引言

随着微机电系统（micro elctromechanical system，MEMS)的发展，组成MEMS器件的零件变得越来越微小化，其零件的加工和装配变得越来越困难。微装配任务大多是借助传感器由控制器操纵机械手或在显微镜下由人工干预完成的[1]。但是这些零件受到较小的力就会产生变形或者破碎，因此非接触驱动就显得尤为重要，同时避免了相互接触带来的噪声影响[2]。采用新技术实现精密运动控制的研究已成为国内外一个研究热点[3-4]，其中主要技术手段是采用磁悬浮支撑[5]。为了实现磁悬浮支撑，研究人员开始从功能材料[6]中寻求对其微小量进行驱动和控制的方法，从而减少精密加工及装配中对零件的损坏，提高产品的合格率[7]。日本的UENO[8]等设计出一种磁力控制构件，包含超磁致伸缩材料、动磁轭、静磁轭和气隙，工作原理如图1所示。该磁力控制构件利用外界施加应力，使超磁致伸缩材料内部磁通密度发生改变，即磁回路中的磁通量发生变化，进而得到输出磁力的改变。UENO通过实验发现磁力控制构件结构尺寸和气隙大小等均对输出磁力具有较大影响。

图1 磁力控制构件工作原理图

压电陶瓷（PZT)是一种具有受压变形产生电场（正压电效应)和在电压驱动下产生应变（逆压电效应)的功能材料,其分辨率高、输出力大、频响高不发热等优点，使它经常被应用于精密制造与加工中[9]。超磁致伸缩材料（GMM)是一种具有在磁场作用下产生伸缩变形（磁致伸缩效应)和受压变形后在其内部产生磁场（逆磁致伸缩效应)的功能材料[10]，其在中低频时，有着大行程、大功率、低压驱动、非接触式测量和控制等方面的优点[11]。耦合PZT/GMM微动力构件，由于压电陶瓷的电容特性，当向压电陶瓷施加驱动电压时无焦耳热损耗，所以几乎不消耗能量，特别适合应用于需长期使用的微操作系统[12]，为MEMS器件的应用和展望提供了技术保障[13]。

耦合PZT/GMM微动力构件的输出力受多种因素影响，其中电压、气隙为主要因素。本文主要研究测试电压和气隙这两种影响因素，对微动力构件的输出力进行理论研究和实验测试，最终通过结果比较得出电压和气隙对其输出力的影响关系。影响因素的分析结果，可用于对微动力构件的控制，使其稳定、精确地输出微力，应用于需长期使用的微操作系统。

1 微动力构件工作原理

微动力构件的工作原理如图2所示，包括GMM棒、PZT叠堆、静磁轭、永磁体和动磁轭等。微动力构件的微力可控部分概括为两个磁回路，即由永磁体和磁致伸缩薄片等组成的回路I，永磁体和气隙等组成的回路II。在固定气隙下，忽略磁通量的泄漏，则回路I和回路II中的磁通量之和保持不变，回路I中磁通量的改变将影响回路II中磁通量大小的变化，最终可改变微动力构件输出力的大小。在PZT上加控制电压将使PZT薄片伸缩，由于GMM薄片的易极化轴与PZT薄片的伸缩方向按一定要求粘合成一体，从而对GMM薄片产生应力，将导致GMM薄片内的磁化强度发生改变（逆磁致效应)。此时，相当于改变了回路I的磁通量，进而可改变回路II的磁通量大小和输出微力的大小。输出微力大小由加在PZT上的电压来控制，微动力控制顺序依次为：控制电压变化→PZT伸缩→GMM伸缩→GMM内部磁化强度的变化→回路I磁通量的变化→回路II磁通量的变化→输出微力大小变化。

图2 微动力构件工作原理图

2 理论分析电压、气隙对微动力构件的影响

2.1 电压对微动力构件的输出力影响

当在压电陶瓷（PZT)上施加电压，由于压电陶瓷的逆压电效应，会在电压的驱动下产生应变。本文中微动力构件采用压电陶瓷叠堆驱动器，由于压电逆效应，使得超磁致伸缩材料发生应变，从而使微动力构件输出力发生变化。

2.1.1 压电陶瓷施加电压-输出位移

压电陶瓷叠堆驱动器由机械上串联、电学上并联的多层压电陶瓷晶片组合而成，这时极化方向即为厚度方向，沿着极化方向施加电场。在无外界约束状态下，边界条件为“机械自由、电学短路”，则压电方程[14]为

式中：D——电位移矩阵，C/m2；

S——应变矩阵；

d——压电常数矩阵，C/N；

εF——恒应力下的介电常数矩阵，F/m；

F——应力矩阵，N/m2；

E——电场强度矩阵，V/m；

dt——压电常数转置矩阵，C/N；

sE——恒电场强度下的弹性柔顺常数矩阵，m2/N。

则压电叠堆输出的总位移量：

式中：ΔL——压电叠堆的总位移量，m；

n——组成压电叠堆的晶片层数；

t——单层压电陶瓷晶片的厚度，m；

d33——压电陶瓷在厚度极化方向的压电常数，C/N；

E3——沿单层压电陶瓷晶片厚度方向施加的

电场强度，V/m。

由于

则

式中U为沿压电陶瓷晶片厚度方向施加的电压。

在理论上压电叠堆驱动器所产生的位移是单层压电陶瓷晶片在该电压下产生位移的n倍。但是，压电陶瓷晶片之间需要通过粘结剂进行粘贴烧结，所以实际位移量与理论值仍有一定出入[15]。

本研究选用的压电陶瓷叠堆驱动器为哈尔滨溶智纳芯科技有限公司生产的型号为RP150/10×10/10的PZT叠堆，其具体尺寸为10mm×10mm×10mm，标称位移为10 μm，标称位移的电压范围 0～120 V，其位移量与驱动电压的变化曲线如图3所示。

2.1.2 压电陶瓷输出位移-压电陶瓷输出力

图3 压电陶瓷叠堆位移量与驱动电压的关系

在微动力构件中作为输出力驱动器件的压电叠堆驱动器，它的输出力特性为在某一驱动电压下，压电叠堆驱动器的输出位移所受压力之间的关系。压电叠堆驱动器的最大出力是在输出位移为0时的状态，根据第二类压电方程“机械夹紧，电学短路”，压电方程为

式中e为压电常数矩阵，c与S互为逆矩阵。

则压电叠堆驱动器的最大输出力为

式中：EP——压电陶瓷晶片纵向弹性模量，m2/N；

AP——压电叠堆截面积，m2；

Fmax——压电叠堆驱动器最大输出力，N。

2.1.3 压电陶瓷驱动电压-超磁致伸缩材料应变-微动力构件输出力

由式（4)、式（6)得，施加电压，压电叠堆驱动器的最大输出力为

由式（7)得，电压增大，压电叠堆驱动器的最大输出力增大，由于压电陶瓷与超磁致伸缩材料串联放置，则GMM薄片产生应变，并受到压电陶瓷产生的预应力，此时GMM薄片的磁导率减小，其磁通Φ为

式中：H——磁场强度，A/m；

B——GMM薄片的磁感应强度，T；

A——GMM薄片的截面积，m2；

μr——GMM薄片和导磁体的相对磁导率；

μ0——空气磁导率，H/m；

DM——GMM薄片的直径，m。

当GMM薄片受到压电陶瓷预应力时，其磁导率减小，GMM薄片和导磁体的相对磁导率减小。由式（8)可知，此时微动力构件中，回路I的磁通量减少，由于磁路的磁通量之和不变，导致回路II磁通量增加，此时微动力构件的输出力应是增加状态。

2.2 气隙对微动力构件的输出影响

由微动力构件工作原理可知，气隙变化会导致微动力构件当中的定轭和动轭之间的磁导发生变化，气隙处的磁导应为气隙处两磁极间通过的磁通Φg与其磁降压Fg之比[16]，即：

再由磁通Φg与磁压降Fg的公式可知：

微动力构件中两个磁回路的定轭和动轭是相互平行的，磁场也是均匀的。此时，磁极表面的磁压降一定，磁力线都垂直于磁力端面，且B和H均为常量，则：

即

由磁场中磁能推算得：

式中：f——磁极上的输出磁力，N；

Λg——气隙磁导，H；

S——磁极表面积，m2；

l——极间距离，m；

g——气隙长度，m。

由式（14)可知，气隙增大时，磁路的磁通减小，此时，微动力构件的输出力减小且应为非线性减小。

3 实验台的搭建

微动力构件的输出微力大小受多种因素的影响，电压、气隙为本文主要研究因素，故由信号发生和控制装置产生不同影响因素的激励环境，通过典型的实验测试，以分析和研究不同激励引起的微力大小的变化。在微动力构件实验平台中（如图4所示)，电压的激励由压电陶瓷驱动电源施加于PZT叠堆。气隙指的是动磁轭和静磁轭之间的气隙大小，由PLC控制步进电机推动动磁轭和力传感器沿固定的丝杠导轨移动，采用激光位移传感器检测位移变化，可以精确控制气隙大小，达到要求的气隙激励。温度激励可通过温度控制系统改变温度得到，PZT叠堆上预紧装置可实现预应力激励，由应变仪通过粘贴在GMM棒上的应变片测得。高准确度的台式万用表通过检测GMM棒上拾磁线圈的电流换算得到其内磁通量变化，实验平台中各设备的协同工作，根据信号的分析汇总可推算出微力的大小变化量，实现对微动力构件输出力特性的多因素分析。

图4 微动力构件实验方案图

根据实验方案加工实验台架，通过机加工得到微动力构件。其核心受力部分为GMM棒，外绕拾磁线圈通过静磁轭与PZT叠堆连接，两块静磁轭选用Q235碳素结构钢，厚度为7mm，内有凹槽放置永磁铁，永磁铁单片厚度为2mm，共6片。底部支撑钢板为304不锈钢，厚度为8mm，顶部支架钢板厚度为12 mm，并安装M8预紧螺钉，顶部和底部采用4颗M8螺栓相连。

图5 微动力构件实验装置

实验装置如图5所示，微动力构件置于实验平台之上，两端用304不锈钢三角支架支撑，M4的螺栓连接微动力构件底部支撑钢板。与永磁铁对应的是微动力构件动磁轭，其附于力传感器上，步进电机推动丝杆上的力传感器发生位移变化，由激光位移传感器测得，即可调节微动力构件气隙大小，气隙调节准确度可达0.01mm。

实验台由压电陶瓷驱动电源、激光位移传感器、力传感器、应变片、应变仪、台式万用表、数据采集卡和微动力构件组成。GMM材料选用Terfenol-D棒，尺寸为7mm×7mm×10mm，其基本磁性能参数如表1所示。

表1 Terfenol-D棒材料参数

在实验台中，通过粘贴在GMM棒上的应变片可以测出预应力[17]的大小；设计丝杠导轨机构改变气隙，其大小由激光位移传感器检测；压电陶瓷驱动电源施加电压，采用高准确度的台式万用表检测套装在GMM棒上的拾磁线圈的电流，可以换算出其内磁通量的变化量；利用力传感器与微动力构件动磁轭固定，通过台式万用表上的电压信号读数，经过换算得到微力输出。

4 电压、气隙的实验分析

1)开始电压实验时，通过预紧装置恒定预应力，由应变片测得螺栓对GMM棒施加的预应力为4.5MPa，气隙恒定为0.4，0.8，1.2 mm时，电压从10 V升到120V，实验结果如图6所示。

图6 恒预应力、恒定气隙下，电压与输出力之间关系

当气隙固定在0.4，0.8，1.2mm时，通过驱动电源调节施加在压电陶瓷驱动器上的电压（10～120V)，每隔10V测量读取一次数据，再通过换算得到微动力构件的输出力。由图可知，当气隙恒定时，驱动电压增大，微动力构件输出力有增加趋势，且这种趋势在气隙越小的条件下表现越明显。

2)开始气隙实验时，同样通过预紧装置恒定预应力，由应变片测得螺栓对GMM棒施加的预应力为4.5MPa，电压恒定为 40，80，120V 时，气隙从 0 扩大到1.2mm，实验结果如图7所示。

图7 恒预应力、恒定电压下，气隙与输出力之间关系

当压电陶瓷驱动电压固定在40，80，120 V时，通过丝杠驱动带有力传感器的动磁轭，并采用激光位移传感器测得气隙变化。气隙从0扩大到1.2mm，每隔0.1mm测量一次数据，再通过换算得到微动力构件的输出力。由图可知，当电压恒定时，气隙增大，微动力构件的输出力有明显的减小趋势，且这种趋势随着气隙的增大慢慢减小。

5 结束语

本文设计了耦合PZT/GMM微动力构件，根据微动力构件工作原理，对微动力构件气隙、电压影响因素理论分析，搭建实验测试平台并进行了气隙、电压的影响因素测试。

1)恒预应力下，压电陶瓷的输出位移随驱动电压增加而增大，导致超磁致伸缩材料产生应变，微动力构件输出力增大，且呈非线性增长，实验结果与理论分析相符合。

2)恒预应力下，微动力构件的定轭和动轭之间气隙增大，导致空间磁导减小，微动力构件输出力减小，也呈非线性关系，实验结果与理论分析相符合。

3)利用电压和气隙对微动力构件的影响测试，准确地控制影响因素，从而对微动力构件输出力进行稳定调节，为研究微动力构件在微机电系统中非接触驱动的应用具有实际的工程意义。

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Measurement on influence factors on coupled PZT/GMM micro dynamic component and its output force

LIAO Shengkai1， XU Aiqun1， WU Liqiong1， YU Haikuo2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China；2.College of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China)

Based on the study ofthe characteristicsoftwo kindsoffunctionalmaterials，piezoelectric ceramic（PZT)and giant magnetostrictive material（GMM)， a coupled PZT/GMM micro dynamic component is designed.By analyzing the working principle of micro dynamic component，it can be known that the output force of the micro power component is affected by the factors such as voltage，air gap and temperature.The effect of voltage and air gap on the output force of micro dynamic component is analyzed in the paper.Through comparative theoretical analysis and experimental research，the effects of the voltage and air gap on the output force of the micro dynamic component are got.In the range of 10-120 V voltage，the output power of the micro dynamic component increases nonlinearly with the rise of voltage，and the smaller the air gap， the more obvious of the rise effect.Under constant voltage， however， from 0 to 1.2 mm of the air gap，the output power of the micro power component decreases nonlinearly.

PZT； GMM； micro dynamic； voltage； air gap

1674-5124（2017）10-0139-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.027