压电陶瓷叠堆执行器刚度测量新法：理论与验证

本文主要探讨了一种针对压电陶瓷叠堆执行器( Piezoelectric Ceramic Stack Actuator, PCSA)的刚度测量方法。压电陶瓷作为关键的智能材料，在许多应用中，如精密机械、微电子和机器人技术中，其性能直接影响到执行器的精度和稳定性。PCSA因其独特的电-机械转换特性，其刚度的精确测量显得尤为重要。 文章首先分析了PCSA的刚度特性及其与位移输出之间的密切关系。位移输出与刚度之间存在线性或非线性依赖，准确测量刚度有助于优化系统设计，提高执行器的动态性能。作者提出了一个创新的测量策略，即在相同的驱动电压下，分别测量PCSA在空载状态下的位移以及在预装有具有特定刚度的弹性框架时的位移。这种方法通过比较两种情况下位移的变化，解算出PCSA的实际刚度值。 为了实现这一测量系统，文章构建了一个理论框架。首先，通过建立弹性框架的伪刚体模型，考虑了框架对PCSA变形的影响，从而确保了刚度计算的准确性。接着，作者详细推导了刚度方程和应力方程，这在结构力学中是关键步骤，它帮助确定了弹性框架的刚度特性设计参数。这些方程的准确建模对于测量系统的精度至关重要。 文章进一步通过有限元仿真和实验验证了提出的测量方法和系统特性。有限元仿真提供了理论预测，而实验则提供了实际操作中的数据，两者结合验证了测量方法的有效性和可靠性。结果显示，基于所建立的刚度方程，可以准确地估算弹性框架的刚度，从而成功实现了对PCSA刚度的定量测量。 关键词：压电陶瓷、刚度测量、执行器、弹性框架和柔性机构。这些关键词突出了研究的核心内容，展示了这项工作在压电陶瓷技术领域的创新贡献。本文不仅提供了一种实用的PCSA刚度测量技术，还为压电陶瓷驱动系统的设计和优化提供了重要的理论支持。这种测量方法对于提升压电陶瓷执行器的整体性能，尤其是在高精度、高速响应和小型化应用中，具有显著的实际意义。