Skip to content
СА · Тема 18 · Актуаторите

Микрометри по команда – пиезо стекът

Дизеловият инжектор отваря и затваря иглата пет пъти за един ход на буталото. Обективът на телефона мести лещата с микрометри, а микроскопът сканира отделни атоми. Всичко това прави кристал, който се удължава, като му дадеш напрежение – с нанометрова точност и за микросекунди. В урока виждаме колко малко е движението, защо се връща по различен път и как от малки трепвания се прави ход на сантиметри.

≈ 4 мин четене∿ 2 живи уредаСамопроверка: 4 въпроса

Обратният пиезоефект ​

В тема 2 натискахме кристал и той даваше заряд – прав пиезоефект (Пиер и Жак Кюри, 1880). Обратното също важи: електрично поле деформира кристала. Деформацията е линейна: ε = d₃₃·E. Индексите показват осите (3 е посоката на поляризацията, 1 и 2 – напречните, 4–6 – срязване). Първият индекс е оста на възбуждане, вторият – на деформацията. Ефектът го имат само кристали без център на симетрия.

МатериалПримерОсобеност
монокристаликварц SiO₂, LiNbO₃, LiTaO₃кварцът е много стабилен – резонатори и осцилатори
пиезокерамикиPZT (PbTiO₃ + PbZrO₃), BaTiO₃най-силният ефект; поляризират се с поле при производството
пиезополимериPVDFгъвкави, тънки (< 10 μm), всякаква форма

Един слой PZT с d₃₃ ≈ 500 pm/V при 150 V се удължава с 75 nm. За да има повече ход, слоевете се редят в стек: n тънки пластинки с общи електроди, напрежението е на всяка, а удълженията се събират. Тук стекът е от 100 слоя, а напрежението е 100 V. Стекът е удължен с 4,5 μm, ако идваме отдолу, и с 5,5 μm, ако идваме отгоре.

Пиезо стек и хистерезис
Ходът при качване и сваляне на напрежението
05010015005U, VΔL, μm100 V
идеално (n·d₃₃·U) нагоре надолу
Фигура 1.

При 150 V целият стек дава само 7,5 μm, колкото една десета от косъм. Но е с нанометрова точност, сила до хиляди нютони и реакция за микросекунди. Нагоре и надолу кривите се разминават: това е хистерезис, тук до ~15 % от хода. При едно и също напрежение позицията зависи от пътя. Затова за прецизно позициониране стекът е в затворен контур със сензор за положение или се управлява със заряд вместо с напрежение.

Видовете актуатори ​

ВидОсобеност
многослоен стекголяма сила, малък ход; прецизно позициониране, stick-slip, сканиране
биморф / униморфединият слой се свива, другият се разширява и пластинката се огъва: много по-голям ход, но по-малка сила
пръстеновиденмногослоен с отвор – за лъч или ос
тръбенаксиално или радиално изместване – сканираща микроскопия, микродозиране
пластинчат / монолитенудължение и ултразвукови вибрации

Предимства:

  • нанометрова точност и реакция за μs;
  • голяма сила, от N до стотици N;
  • работи от DC до MHz;
  • компактни, от 0 K до 200 °C и във вакуум;
  • без прах, смазване и износване, без влияние от магнитни полета, с ниска консумация.

Недостатъци: малък ход, нужно високо напрежение (десетки–стотици V), температурна чувствителност, хистерезис и чупливост.

Пиезо актуаторите са в звуковите излъчватели, инжекторите, 3D и мастиленоструйните принтери, ултразвуковите мотори, вентилите, помпите и нанопозиционирането.

Stick-slip: дълъг път от къси стъпки ​

Как микрометров стек мести шейна на сантиметри? С инерция и триене. Стекът се удължава бавно и шейната се вози на него, защото триенето я държи: stick. После се свива рязко. Шейната по инерция не успява да го последва и се приплъзва: slip. Остава почти там, докъдето е стигнала. Всеки цикъл е стъпка от няколко микрометра, а хиляда цикъла в секунда са милиметри.

Стекът прави 12 цикъла по 5 μm, а при приплъзването шейната задържа 0,85 от хода. Изминала е 51 μm.

Stick-slip
Стекът (трион) и шейната (стълба)
02468101202040цикълположение, μm
стекът шейната
Фигура 2.

Синият трион е стекът: расте бавно, пада рязко. Зелената стълба е шейната. Тя се качва заедно със стека и после остава на мястото си. При 100 % задържане (идеално приплъзване) всеки цикъл дава цели 5 μm. Ако триенето е твърде силно и шейната се връща със стека, стъпките изчезват. С обърнат трион (бързо нагоре, бавно надолу) шейната ходи назад.

Самопроверка ​

1. Стек от 200 слоя PZT (d₃₃ = 500 pm/V) при 100 V – какъв е ходът?

ΔL = n·d₃₃·U = 200 · 500·10⁻¹² · 100 = 10 μm.

2. Каква е разликата между стек и биморф?

Стекът – голяма сила, малък ход (слоевете се удължават последователно); биморфът – два слоя, единият се свива, другият се разширява и пластинката се огъва: голям ход, малка сила.

3. Защо пиезо актуаторите се управляват в затворен контур?

Имат хистерезис (и пълзене) – при едно и също напрежение позицията зависи от предишния път; сензорът за положение го коригира.

4. Как работи stick-slip?

Бавно удължаване – шейната се движи със стека (триене); рязко свиване – шейната по инерция се приплъзва и остава. Повтаряно, дава голям ход от малки стъпки.