压电致动技术综述

基于压电元件的振动控制技术研究摘要：振动控制一直都是机械、精密仪器、航空等领域研究的课题，在各种新型的减振技术被提出的同时，具有良好的机电耦合特性的压电材料也被广泛的应用在减振领域。

本文利用带压电分支电路的压电悬臂梁模型，研究了利用压电元件的压电效应特性对振动结构体振动被动控制的方法，运用Matlab对该模型进行了频率响应分析，利用Ansys对其进行了模态分析，实验分析了压电元件对机械系统振动特性的影响，验证了理论的结果。

关键词：机电耦合；振动控制；压电效应；分支电路0引言随着人们对减振技术的研究，压电元件对振动控制的研究受到了广泛的关注。

振动存在于人们的生活、工作等各个领域，往往带来的是一些消极的影响。

例如，振动以弹性波的形式传播，会产生噪声污染。

振动还影响着人们的日常生活和工业生产。

比如，工厂中各种机器设备的振动幅度若超出一定的范围，将会对操作人员的健康产生极大的危害；航空发动机叶片、叶轮的振动会减少发动机的寿命，使机械零件产生疲劳，重则还会危害飞行人员的安全等。

如此可见，振动带来的危害是不可小觑的，如何降低振动对周围环境设备和人体带来的危害就变得尤为重要。

1项目介绍有些机械由于结构的复杂，在研究和加工过程中，每个环节上出现误差，都很可能造成整机产生振动。

本课题主要利用压电元件良好的机电耦合特性，将压电片表面电极与控制电路相连，压电元件作为机械部分与电路部分的媒介，以被动控制的方式来达到减振的目的。

通过给振动结构体附加压电元件并外接一个电路，改变结构的动态特性，使系统振动产生的能量转化为电能并通过其他形式消耗掉，以此来改变固有频率、振动位移的幅值和振动的衰减率等，从而起到减振的效果。

当压电片等效的电容和连入电路中的电感元件组成谐振电路的谐振频率与系统的固有的共振频率相近时，则会起到吸震作用。

电阻分支电路电阻电感分支电路图1 压电分支电路2压电材料及压电效应压电材料具有正压电效应和逆压电效应的性质，不仅能作为制动器，也能作为传感设备。

精品资料渐行渐近的压电发电技术........................................渐行渐近的压电发电技术李永祥习惯了每天消费能源的你，有没有想过变身为一个可持续提供能源的自动发电机呢？这不是玩笑。

科研人员利用压电发电技术，正在力图使它成为现实。

将无处不在的机械振动能转变为电能其实，能量无处不在。

我们每天跑步、跳跃、行走、活动，不断产生机械振动能。

压电发电技术瞄准的正是这些不起眼的能量，将其收集起来有效利用。

当然，“让人类自己发电”还远不能涵盖压电发电技术的全部。

说到压电发电技术，我们先要回溯到1880年。

当年居里兄弟在石英晶体中发现：晶体受到机械应力的作用时，其表面会产生电荷；反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生形变。

前者被命名为正压电效应，后者则被称之为逆压电效应。

100多年过去，压电学和压电材料经过了石英晶体、钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷、弛豫铁电单晶等几个里程碑的发展，各种压电传感器、换能器和驱动器在水声、超声、激光、红外、电光等技术领域中成为不可替代的重要器件。

这些年来，工业化社会对能源需求猛增与化石能源供给有限的矛盾日益突出，各国大力发展各种可再生能源，能量回收技术成为研发热点。

压电发电正是这样一种技术——利用压电材料的正压电效应将机械振动能转变为电能，从而将如人体走路的踩踏、机械振动，甚至噪音等形式的振动能量收集起来，经过能量转换——整流——存储——供电等诸多环节，应用于生活。

这种能量收集系统帮助我们利用曾被白白耗费的能源。

不久的将来，车站、公路、轨道以及日用的垫子、地毯、地板、书包、鞋、衣服等，都可能成为发电装置，作为众多其他能源的补充。

压电发电具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现小型化和集成化等优点，并因能满足低耗能产品的电能需求而成为目前研究的热点之一。

发电地板、发电公路、发电行囊和其他日、美、欧等发达国家对于压电发电自助供电系统进行了多年研究，取得了良好进展，尤其是日本在应用方面走在世界前列。

河北科技师范学院本科毕业论文文献综述院（系、部）名称：物理系专业名称：物理学学生姓名：***学生学号：1112120115指导教师：***2016 年 1 月 5 日摘要压电陶瓷是一种具有压电效应功能的陶瓷材料，已被用于许多领域。

本文主要对压电陶瓷的特性、电致伸缩材料研究的新进展、微小形变的测量方法进行了综述。

同时简要介绍了压电陶瓷电致伸缩系数的测量。

关键词：压电陶瓷；电致伸缩；微小位移1引言1.1研究意义伴随着科技的迅猛发展, 在电子学、光学、精细加工、航空航天及扫描隧道效应和小型电机显微镜等技术领域迫切需要亚微米级的微位移技术。

如光通讯聚焦技术、大规模集成电路设备、移动微电机等。

由于温度、振动和噪音等环境因素拢动, 都会造成位置偏差,要达到亚微米超情控制还是很困难的［1］。

在各种微位移器中以电致伸缩微位移器性能突出( 具有施加电压低、位移量大、滞后小、重复性好、无老化等特点), 从而引起人们高度重视。

而压电陶瓷具有良好的电致伸缩性能。

因此对于压电陶瓷电致伸缩的研究成了人们关注的焦点。

1.2国内外研究现状BaTiO3是最早的有实用价值的压电陶瓷，具有可制成任意形状和任意极化方向等优点。

50‐80年代期间，锆钛酸铅问世，极化时可获得高压电活性和高介电常数，压电常数是BaTiO3的两倍。

内野等人对电致伸缩材料及其力学性质进行了细致的研究［2-3］。

张涛等人研究了压电陶瓷的特性[4-5]。

80年代以来，发展了两种新型的PbTiO3陶瓷。

改良的陶瓷具有强的压电各向异性的优点，优于PZT和PT。

孙立宁、王裕斌等人研究了电致伸缩及其应用[6-7]。

90年代初，通过米用所研制的H R P D 系列压电/ 电致伸缩陶瓷驱动电源对W T D S 一I 电致仲缩微位移器进行了实验研究, 得出来用电极化强度控制的方法使电致伸徽位移器的迟滞由原来的15 % 减小到1 %, 蠕变由原来的1 0 % 减小到1%, 并实现位移输出的线性化[8-9]。

压电致动器工作原理压电致动器是一种常用的电力驱动装置，常用于各种机械设备中，如机器人、自动化生产线等。

它的工作原理是通过施加电场来改变其晶体结构，从而引起物理的形变或振动。

本文将详细介绍压电致动器的工作原理，并探讨其在实际应用中的一些特点。

1. 压电材料的基本原理压电致动器的核心是压电陶瓷材料，它具有压电效应。

压电效应是指某些晶体在受到外力或电场作用时，会发生形变或振动。

这是由于晶体内部存在正负电荷的不平衡，当外部力或电场施加到晶体上时，会引起正负电荷的重新排布，导致晶体的形状发生变化。

2. 压电致动器的结构和工作原理压电致动器通常由压电陶瓷片、电极、外壳和运动部件组成。

其中压电陶瓷片是核心部件，它充当了转换电能和机械能的媒介。

电极用于施加电场，外壳用于保护内部结构。

当施加电压到压电陶瓷片上时，由于压电效应的存在，陶瓷片的形状会发生变化，从而带动运动部件实现机械运动。

3. 压电致动器的工作模式压电致动器有两种基本的工作模式：位移模式和振动模式。

位移模式：在位移模式下，压电陶瓷片通过施加电场来实现线性位移。

当电场施加到陶瓷片上时，陶瓷片会发生相应的形变，并带动运动部件产生位移。

通过控制电场的大小和方向，可以精确控制致动器的位移量和速度。

振动模式：在振动模式下，压电陶瓷片通过施加电场来产生振动。

当电场施加到陶瓷片上时，陶瓷片会以高频率进行振动，从而产生声波或机械振动。

振动模式的压电致动器广泛应用于声波发射器、超声波清洗器等领域。

4. 压电致动器的特点和应用压电致动器具有以下几个优点：- 快速响应：由于压电致动器的工作原理简单，响应时间短，可以实时调节和控制。

- 较大的力量输出：压电陶瓷片的结构紧凑，可以产生较大的力矩或力量。

- 宽频率范围：压电致动器可以在不同的频率范围内进行工作，从几十赫兹到几千赫兹。

- 能量密度高：压电陶瓷片具有较高的能量密度，可以在小体积下实现较大力量输出。

基于以上特点，压电致动器在多个领域得到了广泛应用。

机电耦合系数和压电系数-概述说明以及解释1. 引言1.1 概述概述机电耦合是指机械系统与电气/电子系统之间相互作用、相互影响的现象。

机电耦合系统广泛应用于各个领域，包括航空航天、汽车工程、机械工程等等。

在机电耦合系统中，机械能转化为电能，或是电能转化为机械能，实现了能量的转换和传输。

压电效应是一种基于某些材料（压电材料）在电场的作用下产生机械变形的现象。

压电材料能够通过电荷的极化改变其形状和尺寸，同时也可以通过施加机械压力来改变电荷分布。

这种相互转换的特性使得压电材料在传感器、执行器、能量转换器等方面有着广泛的应用。

本文将主要讨论机电耦合系数和压电系数的定义、影响因素、应用领域、测量方法和应用场景等方面的内容。

通过对这两个关键概念的深入探讨，旨在增进对机电耦合系统和压电效应的理解，并为相关领域的研究提供参考和指导。

1.2 文章结构文章结构部分是文章大纲中的第1.2节。

本节的目的是介绍整篇文章的结构安排。

文章的结构部分应包括以下内容：本文将按照以下结构进行论述：第1节为引言部分，主要介绍了机电耦合系数和压电系数的相关背景和研究现状，同时描述了本文的目的和意义。

第2节为正文部分，主要分为两个部分：机电耦合系数和压电系数。

其中，2.1节将从定义、影响因素和应用领域三个方面介绍机电耦合系数；2.2 节将从定义、测量方法和应用场景三个方面介绍压电系数。

第3节为结论部分，主要对机电耦合系数和压电系数进行总结。

其中，3.1节总结了机电耦合系数的重要性和研究成果；3.2节总结了压电系数的研究进展和应用领域；3.3节探讨了未来研究的方向和挑战。

通过以上结构的安排，本文将全面介绍和论述机电耦合系数和压电系数的概念、特性、测量方法和应用领域，为读者提供了一个全面的了解和研究的基础。

同时，通过对结论部分的总结和未来研究方向的探讨，也为相关领域的研究者提供了一些有价值的思考和参考。

1.3 目的本文的目的是介绍和探讨机电耦合系数和压电系数在工程领域中的重要性和应用。

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压电致动技术综述摘要：本文通过对压电致动技术国内外专利的检索和统计分析，综述了该技术的发展脉络，并详细分析了压电致动领域专利申请的发展趋势和主要申请人的专利申请分布。

关键词：压电驱动，专利分析1、压电致动技术概述在压电晶体的极化方向上施加电场，此时压电晶体发生变形，电场去掉后，压电晶体的变形随之消失，这种现象为逆压电效应或电致伸缩现象。

压电致动器就是利用压电材料的逆压电效应，将电能转化为机械能，再通过一定的机械机构将机械能输出，进而驱动负载。

压电驱动装置按照工作方式主要可以分成直接驱动式、惯性冲击式和蠕动式，近十几年来，研究人员主要在以下几个方面进行主要研究：结构设计、控制电路、压电材料等。

2、压电致动领域专利申请分析1961年至1980年，由于压电致动电机的发展才刚刚起步，其相关技术的专利申请还较少，1980年至1990年，随着微电机MEMS制造业的迅速发展，压电致动技术逐渐得到了各国研究机构、全球各大公司的重视，压电致动领域的专利申请量快速增长， 1990年至2008年，专利申请量逐渐趋于平稳，压电致动技术逐渐被应用到各行各业，其技术发展逐渐趋于成熟，2008年以后，压电致动技术发展越发完善，研究人员就压电致动技术中的存在的缺陷展开更加深入的研究，使得压电致动技术的发展开始变得较为缓慢，专利申请数量也稍有下降。

图1表示全球专利申请数量的年度分布趋势，日本的申请量位居榜首，远超位居第二的美国及其他国家，从2013年至今日本在该领域申请量一直处于领先，与此同时，美国、欧洲国家以及德国的申请量，也都占据重要分量，中国从1990年开始在压电致动领域申请专利，专利申请数量很少，直至2003年，我国的压电致动技术才逐步发展起来，发展至2005年，我国的专利申请的数量才渐渐趋于稳定。

图1全球专利申请数量年度分布趋势图图2全球主要申请人图2表示全球前10位申请人的申请申请数量，目前，精工爱普生股份有限公司是该技术领域的领军申请人，位居全球第一，佳能公司、松山电器有限公司分别位居全球申请量第二、第三。