79、压电扫描技术的特性与应用解析

压电扫描技术的特性与应用解析

1. 温度对压电系统的影响

温度变化在微米级定位系统中起着极其重要的作用。新手使用压电系统时，常抱怨系统“到处漂移”，实际上是材料的热膨胀（肉眼不可见）导致位置发生较大偏移，比如室内空调或暖气的开启和关闭就可能引发这种情况。

1.1 材料热膨胀系数

以钢为例，在20°C - 100°C 范围内，其热膨胀系数约为 16 μm/m °C。一个简单的压电挠曲平台可能在设计中包含多达 50 mm 的钢，而闭环系统的指定分辨率为 10 nm 或更低。仅仅半度的温度变化，就会使钢膨胀 400 nm，超过平台分辨率的 400 倍！

1.2 热效应的测量与公式

为了展示热效应，通过迈克尔逊型干涉仪在静态电压条件下长时间测量了带有集成 PZT 堆栈的平行四边形挠曲设计的位置，并同时测量了空气温度。PZT 在室温下具有 -6 μm/m °C 的负热膨胀系数，热效应引起的总位移可以用以下公式表示：
[ \frac{dl_{therm}}{dT} = L_{piezo} \times \alpha_{piezo} + L_{metal} \times \alpha_{metal} ]

1.3 温度补偿

可以通过选择比例合适的钢块和 PZT 并将它们串联排列，构建一个简单的温度补偿块。例如，一个运动为 16 μm（长度为 16 mm）的堆栈，需要一个 6 mm 的钢块来制成温度补偿的简单执行器。具有较高温度膨胀系数的材料（如黄铜）会减少所需的额外长度。

1.4 不同温度下的热效应数据

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