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剛度 Stiffness 

您可以把壓電陶瓷理解為一個(gè)機(jī)械彈簧，具有恒定的剛度C，剛度對(duì)于諧振頻率以及出力來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

剛度與橫截面積A成正比例關(guān)系，橫截面積越大則剛度越大，剛度與長(zhǎng)度成反比例關(guān)系，壓電陶瓷的長(zhǎng)度增加，剛度降低。

例如：

PSt150/5×5/7, 橫截面積為5mm×5mm，高度為9mm，剛度C=120N/μm。如果橫截面積不變，長(zhǎng)度增加到18mm，此時(shí)的剛度將會(huì)降低一半為60N/μm，如果選擇PSt150/7×7/20，橫截面積約為PSt150/5×5/20的兩倍，則剛度為120N/μm。

實(shí)際應(yīng)用的過程中，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系是非常復(fù)雜的。剛度也受到其他因素影響，比如說(shuō)電極的連接方式等，因此剛度不是一個(gè)恒定的數(shù)值。

上面的公式并不能準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)際應(yīng)用情況，剛度還取決于如何操作（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)操作）以及環(huán)境的影響（負(fù)載、供電，小信號(hào)或大信號(hào)），剛度可能會(huì)受到這兩個(gè)或更多因素影響。因此公式只能是粗略的估算壓電陶瓷的參數(shù)性能。

1. 剛度測(cè)試過程

壓電陶瓷隨著不同壓縮負(fù)載而變化，壓力通過壓力傳感器監(jiān)測(cè)。

A 短路連接                B開路連接

測(cè)試過程：

選擇PSt150/10×10/20(配置電阻應(yīng)變計(jì))，給其加載2kN軸向力，壓電陶瓷的壓縮量通過應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變放大器監(jiān)測(cè)。如下圖所示。

測(cè)試結(jié)果：

剛度不同的原因是由于正壓電效應(yīng)，機(jī)械壓力產(chǎn)生電荷負(fù)載。

A、B兩種引線方式測(cè)得的剛度不同：

A=＞200N/μm

B=＞450N/μm

A方式，兩個(gè)電極線短接，電荷可以流動(dòng)，內(nèi)部消耗。但是B方式電荷保持在壓電陶瓷內(nèi)，因此引線兩端存在機(jī)械力產(chǎn)生的電壓。相當(dāng)于壓電陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生了電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)使壓電陶瓷穩(wěn)定以抵抗壓縮力。 

理論依據(jù)：

A方式引線短接，相當(dāng)于電壓控制，機(jī)械產(chǎn)生的電荷相對(duì)流動(dòng)來(lái)保持壓電陶瓷兩端的電壓恒定，電荷被消耗。 

B方式引線開路，理論上相當(dāng)于電荷或電流控制，機(jī)械力產(chǎn)生的電荷存留在壓電陶瓷內(nèi)，壓電陶瓷電壓隨著負(fù)載力的變化而變化。 

開路電流控制的優(yōu)勢(shì)主要在于動(dòng)態(tài)位移控制。

更大的系統(tǒng)剛度可以通過閉環(huán)位置控制獲得，相較于閉環(huán)控制，開路電流控制的響應(yīng)速度更快。

2．封裝壓電陶瓷的剛度

參數(shù)表里的剛度數(shù)值是移動(dòng)端受力損失的位移，通過移動(dòng)端或前端殼體外螺紋與外部機(jī)械結(jié)構(gòu)連接后，整體的剛度降低，因?yàn)榱Φ膫鬏敯颂沾珊蜌んw，在理論分析時(shí)需要將這一點(diǎn)考慮進(jìn)去。

系統(tǒng)整體的剛度取決于所有的機(jī)械部分：比較弱的點(diǎn)經(jīng)常是設(shè)計(jì)中連接結(jié)合點(diǎn)。

3. 放大機(jī)構(gòu)促動(dòng)器的剛度

機(jī)構(gòu)放大式結(jié)構(gòu)促動(dòng)器整體的剛度會(huì)降低。

出力約為壓電陶瓷出力的1/n，整體的剛度降低到大約1/（n×n） (基于陶瓷的原始參數(shù))，n為機(jī)構(gòu)放大倍數(shù)。

4.剛度參數(shù)解讀

電壓控制壓電陶瓷的剛度大概為相同尺寸鋼柱的20%左右。

 相同材料極化的壓電陶瓷的彈性模量大不相同：

 ◆ 各項(xiàng)異性（取決于施加力的方向和極化軸）

◆ 取決于施加的電場(chǎng)變化（小信號(hào)與大信號(hào)激勵(lì)）

   （PZT材料參數(shù)）

◆ 剛度在一定程度上取決于預(yù)緊力情況。

參數(shù)表里的剛度數(shù)值是小信號(hào)電壓控制下測(cè)得的，一定要注意剛度有20%的公差，參數(shù)表里的數(shù)值用于理論分析。