内容

1.0直接和逆压电效应

1880年，皮埃尔·居里和雅克·居里在用电气石、石英、黄玉、蔗糖和罗歇尔盐晶体进行实验时发现，当机械应力作用于晶体时，晶体表面会产生微弱的电荷。前缀“piezo”来自希腊语piezein的，这意味着挤压或按。其结果是，压电是对某些材料制成时材料经受所施加的机械应力或压力电荷。这就是所谓的正压电效应。

的匡威要么逆压电效应1881年，加布里埃尔·李普曼(Gabriel Lippmann)利用热力学原理发现了利用电场诱导应变的方法。正是逆压电效应使得压电材料能够用于定位应用。

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2.0压电致动器的材料

虽然许多材料表现出逆压电效应，但目前最流行和应用最广泛的压电材料是PZT，即铅-锆-钛酸盐。PZT一词通常用来指各种各样的陶瓷，它们的性能取决于它们的主要原料:铅、锆和钛的颗粒大小和混合比例。陶瓷的性能也可以通过添加掺杂剂和调整制造工艺来控制。特定材料的配方通常是专有的，供应商之间也有所不同。

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2.1 RoHS豁免

尽管存在铅作为掺杂材料，PZTs是免除RoHS指令2002/95 / EC，由于缺乏合适的替代材料的。尽管正在努力开发替代材料，没有合适的替代，预计在该领域多年的到来。

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3.0压电驱动器的特性

3.1排量的性能

压电材料对所施加应力施加的电场的响应或依赖于相对于所述偏振方向应用的方向。正因为如此，描述压电材料最电气和机械性能是依赖于方向的，也是如此。

逆压电效应可以数学描述为:

,x_Ĵ是菌株（M / M），d_ij是压电电荷系数（M / V）和是材料的性质，和E_一世是所施加的电场（V / m）的。下标i和j分别表示应变方向和分别施加电场方向。电场是在一定距离上的电压，所以大电场可以用小电压来产生，如果电荷分离距离非常小。

一般来说，应变(x_Ĵ)对于市场上发现的大多数PZT材料，应用电场在2kv /mm左右的范围内约为0.1 - 0.15%。例如,一个20毫米长工作长度压电致动器将产生大约20 - 30μm的最大位移。人们很容易看到,生成250μm压电堆栈将大约170到250毫米长。因此,大多数压电弯曲阶段> 50μm旅行使用杠杆放大实现时间旅行在更紧凑的包的大小。在最终的设备包大小和刚度之间进行权衡，因为设备的刚度随使用的杠杆放大比的平方减小。Aerotech公司的压电纳米定位亚博微信vip群级经过优化，在紧凑级封装中提供优异的机械性能。

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3.2磁滞效应

压电材料是被称为铁电体的一类更大的材料的一个子集。铁电性是某些材料的一种特性，它们具有自发的电极化，可以通过电场的作用来逆转。与磁等效材料(铁磁材料)一样，铁电材料也表现出基于外加电场和外加电场历史的磁滞回线。图1显示了PZT材料驱动到其激发极限的应变(X)与电场(E)的“蝴蝶”曲线。



当电场从正到负到正循环，发生在压电致动器的下面的变换：

答：最初，与电场应变增加和仅轻微非线性的。随着电场增大，所有晶粒的偶极子将最终对准电场尽可能最佳是可能的，晶粒的失真将接近物理极限。

B：当该字段被反转，应变减小更慢，由于重新定向偶极子。作为字段变小，偶极子弛豫到不太理想的取向和以更快的速率应变减小。

C：由于现场变成负偶极子被从原来的方向被迫离开。在一个临界点他们完全相反的方向和压电致动器在相反方向上变得极化。在极化反转的点处的电场是被称为矫顽电场（E_C)。

D:极化反转后，压电再次膨胀，直到达到物理应变极限。

E：电场再次反转并作为应变减小发生沿着曲线B发生相同的滞后行为。

F：电场被驱动以矫顽限制相反偏振方向和调整到它们的初始极化的偶极子。

G：与所施加的电场，以它的物理极限的压电致动器膨胀。

用于定位的应用，压电致动器通常与在曲线（ABC）从饱和和矫顽场限制远的区域的半双极性电压操作。位移与在曲线的该区域中的压电致动器叠层施加电压的一个例子示于图2。



气动技术放大器充分利用了半双极操作的压电堆栈执行器。我们的执行机构的设计工作范围为- 30v到+ 150v，具有非常高的电压分辨率。亚博登录平台在此电压范围内，开环磁滞值可达压电级整个开环行程的10-15%。压电级的闭环操作有效地消除了执行机构的滞后，使定位重复性在个位纳米范围内。

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3.3蠕变与漂移

的响应时间的压电陶瓷进行电场为比单个偶极子的重新定向时要快得多。这种现象会导致开环位置控制不良行为。当施加电场时，压电堆叠会使相应的位移几乎瞬间。如果该字段则保持不变，压电栈将继续作为偶极子重新调整，被称为蠕变现象慢慢移动。它可以采取许多几分钟甚至几小时达到稳定状态，用菌株多达1％过去的初始应变位置增加至5％。有一个叫零点漂移类似的效果。当去掉电场时，偶极子将逐渐放松，直至达到稳定状态运动将慢慢继续下去。操作所述压电致动器或阶段闭环控制，因为所述控制器被补偿这种移动实时地保持输出运动在所希望的位置消除了这种漂移。

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3.4力和位移

3.4.1力与位移特性

致动器作用于极化方向所产生的力与致动器的总长度完全无关，仅是致动器截面积和外加电场的函数。图3展示了不同电压下压电驱动器的力输出与位移输出的关系。



在查看图3时，一些有趣的特征变得明显起来。压电驱动器的力和位移随着施加电压的增加而增加。压电驱动器的最大输出力，或阻止力，发生在额定电压施加在驱动器上，驱动器的输出是“阻止”或不允许移动。随着执行机构的扩展，力的生产能力降低，直到力的输出在执行机构的最大额定位移达到零。

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3.4.2外荷载恒定时的位移

图4示出了压电致动器或阶段以恒定的情况下，外部负载施加。



对于压电阶段或致动器没有任何外加负载(例1),给出了压电的中风ΔL₁。当一个大规模应用于压电阶段(扩张的方向重力),初始挠度(ΔL_Ø)的计算方法如下:

k_p为压电级在运动方向上的刚度，m为施加的质量。与质量应用于压电阶段,阶段是ΔL压缩一个距离_Ø但是中风ΔL₂保持相同的卸载阶段。那是：

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3.4.3外弹簧荷载作用下的位移

图5示出了其中一个压电致动器或级被驱动相对于外部的弹簧载荷的情况。



对于压电阶段或致动器没有任何外加负载(例1),给出了压电的中风ΔL₁。在第二种情况下，当驱动对一个弹簧负载，压电级刚度(k_p和外部刚度(k_Ë)串联动作，减少执行机构的总行程。情形2的笔画由:



通过对方程4的检验可以明显看出，为了使压电阶段的行程最大化，压电阶段的刚度(k_p）应该比外部弹簧刚度（K大得多_Ë)。

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3.5电容

PZT致动器可电性被建模为电容器。描述在几何和材料性质方面是一个电容器的原理的等式：



其中C是电容(F的单位)，A是垂直于电场方向的电容的横截面积(m的单位²），T是介电材料分离的电荷的米（单位）的厚度，ε是介电材料分离的电荷的材料的介电常数。该材料的介电常数被描述为：



在ε₀是真空的介电常数（〜8.85×10^-12年F / m)和ε_[R是材料的相对介电常数（也称为电介质常数）。

低电压，多层致动器通常用于纳米定位，因为它们允许进行0.1％至低电压（<200伏）0.15％标称应变。亚博微信vip群在这些致动器是在1-4千伏/毫米的范围内的最大施加的电场。由于这些致动器被从薄层构成（一般为50至200微米厚）分离通过电极时，所得的施加电压较低（<200伏）相比高电压的致动器（〜1000 V）其中层厚度为约1毫米。每个层的厚度（T_层）可以被定义为压电致动器的总有效长度（L_Ø)除以层数(n)。多层致动器的压电叠加电容可表示为层数(n)和总有效长度(L)的函数_Ø),如下:



典型的低压的功放,多层压电致动器中使用0.01至40μF nanopositioning应用程序。亚博微信vip群Aerotech数据表中规定的电容是在小信号条件下(1v)测量的_RMS在1 kHz）。对于较大的信号操作（100-150 V），多达60％的应预期电容的增加。这种电容的增加应在执行上浆计算时被使用（参见第5部分）。

流经一个电容器（C）的电流（i）正比于相对于时间的电压变化。这是数学上表示为：



这个简单的关系将需要以驱动压电阶段所需充分的大小放大器（见第5章）。

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3.6加热和功耗

理想的电容器不以热的形式散失任何功率。然而，在实践中，压电驱动器并不作为一个理想的电容器，并有一些内阻产生热量时，电流流过驱动器。介电损耗系数或损耗正切定义为:



其中ESR是电容器和X的等效串联电阻_C是容抗。的损耗角正切也可以写为活性（电阻）的无功功率（Q）的比功率（P）：



当交变电场引入到材料中时，损耗正切越高，转换成热(能量损失)的能量就越多。对于软PZT材料，通常用于纳米定位应用，对于较低的振幅信号(~1-10伏特)，损耗切线通常在0.01到0.亚博微信vip群03之间，对于较高的振幅信号(~50-100伏特)，损耗切线可能高达0.1到0.25。

的无功功率（Q）的定义为：



对于单一频率（f）的容抗是：



使用等式10,11和12中，可以看出，在压电致动器消散的正弦电压与V的振幅的功率_页/2，频率f为:



等式13是一个非常有用的近似，并显示在压电器件的功率损耗的影响。该功率损耗线性正比于工作频率和所述压电致动器的电容，以及正比于平方所施加的时变电压。由于电压正比于位置时，功率损耗正比于施加在压电阶段所命令的随时间变化的位置信号的平方。

图6显示了一个例子的功率损耗变化频率和外加电压的函数为一个典型的压电致动器的电容4μF。



温度上升正比于致动器消耗的功率。为了确定压电促动器或阶段的温度上升需要深入的确切阶段的特点和设计（材料，接触面积等）的知识。通过检查图6中，可以看到，通常仅加热变得在非常大的信号幅度（例如，高电压或大振幅位置）和高频的关注。对于大多数定位应用，在一个压电纳米级的功耗和温度上升是微不足道的。亚博微信vip群对于需要大的位置振荡频率和高频率，接触Aerotech的应用工程系应用。我们将竭诚为您提供协助浆纱正确的压电纳米器件为您的具体应用。亚博微信vip群

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3.7环境影响

3.7.1湿度

一个确保长寿命的最重要因素是防止湿度压电致动器。出于这个原因，艾特使用于保护器受潮执行机构专门密封涂料。优选在60％的操作或降低RH的环境中，因为它有助于进一步延长致动器的寿命。

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3.7.2章温度

压电致动器可以被设计为在非常高的温度和非常低的温度（低温）下操作。操作的极端上限是压电材料的居里温度。在此温度下，压电材料失去其压电效应。的压电致动器的材料的居里温度140℃和350℃之间落下。然而，压电特性是依赖于温度的。出于这个原因，该Aerotech的压电致动器可被使用的最大温度为约80℃。在精确定位的应用，温度接近这可能会导致严重的不利影响的压电平台的精度和性能。

压电致动器非常适合用于操作在极低温度下，也是如此。在压电材料的晶体保持在其压电配置不管温度如何低下降。标准的商用叠层作动器可以向下没有问题工作到-40℃。在寒冷的环境中最大的问题是没有压电本身，而是诱导应力热收缩机制。对于极冷环境下，需要对执行器的特殊设计考虑到生存的冷却过程。仔细选择电极和极其均匀的陶瓷必须被用来防止因为不匹配的热膨胀系数的开裂。

压电陶瓷在低温下的工作方式是不同的。在这样的低温下，陶瓷会变硬，导致每伏特产生的应变量减少。这被晶体结构中增加的电稳定性所抵消，允许完全的双极性操作。低温操作的其他优点包括较低的滞后、较好的线性度、较低的电容和较小的介电损耗。

为最高的精度，艾特在或接近20℃建议操作，因为这是在其中的纳米定位阶段是建立和校准温度。亚博微信vip群如果极端温度环境预计将在您的操作，我们将帮助您选择或定制合适的压电定位台的性能在任何环境中的最高级别联系与艾特应用工程师。

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3.7.3真空

低压(< 200v)压电驱动器特别适用于真空操作。压电执行机构不需要润滑，而润滑通常需要在选择超高真空应用时非常小心。真空压力从10到10^-2需要避免Torr，因为空气的绝缘电阻在这个范围内急剧下降(称为电晕区)，因此更容易介质击穿。Aerotech公司的压电纳米定位亚博微信vip群级可用于超高真空操作。

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4.压电级的性质和命名法

Aerotech的压电纳米定位阶段亚博微信vip群系列是为最终用户设计的。因此，我们的客户对我们的规范有一个全面的了解是很重要的，这样他们才能最好地匹配应用程序或最终过程。以下是在我们的数据表中使用的规格和命名的描述。

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4.1精度/线性

如第3.2节所述，压电驱动器在开环模式下工作时表现出滞后和非线性。在闭环运行模式下，消除了压电作动器磁滞引起的不可重复性。然而，压电阶段仍然可能出现非线性和滞后，影响设备的整体定位精度。这些非线性的大小是闭环反馈传感器和设计中使用的电子器件的质量的函数，以及机械舞台设计的质量。我们的高分辨率电容传感器，先进的电子器件和优化的挠曲设计，线性误差低于0.02%是可以实现的。精密激光干涉仪在压电纳米定位器移动支架上方约15mm处测量精度和线性(除非另有说明)。

术语精度和线性描述压电纳米定位的定位能力时有时是同义。但是，他们可以有含义的细微差别。

准确性被定义为所测量的峰 - 峰误差，其从定位台的结果，因为它被命令在整个行程往复移位从标称命令位置（以微米，纳米等单位报告）。

线性定义为位置输入和位置输出数据的最佳拟合直线的最大偏差。线性度被报告为定位阶段的测量范围或行程的百分比。

从精度和线性度测试的原始测量结果的一个例子在图7中所示的精度曲线图显示在图8所示的通知的准确性结果如何都保留在数据小的残余斜率。的最佳拟合线，以在图7中截取的测量数据的偏差被用于计算线性误差。从该最佳拟合线，以及如何计算线性误差的图示残差示于图9。







总之，术语精度来量化两个灵敏度的效果（相对于的实际位置测量的斜率），以及在定位非线性和报告为峰峰值的值。术语线性用于量化在仅定位非线性的影响，并通过报告为最大误差或从最佳拟合线的残差的偏差所测量的与实际的位置数据。定位精度可以从线性规范由线性说明书加倍来近似。例如，对于100μm的阶段一0.02％的线性度是20nm的最大偏差。近似的精度误差为2×20纳米或40纳米的峰峰值。

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4.2解决方案

分辨率被定义为压电纳米级的最小可检测机械位移。亚博微信vip群许多压电阶段制造商将指出一个压电致动器的分辨率是理论上不受限制，因为即使在电场最小变化将引起压电堆叠的一些机械膨胀（或收缩）。虽然理论上如此，因为所有的压电驱动器和平台与电子设备和传感器产生噪声的一些用量这一事实在很大程度上是不切实际的。这些装置中的噪声一般上升随着测量传感器带宽。其结果是，压电纳米定位器的分辨率（或噪声）是反馈装置的传感器带宽的函数。艾特航空的压电放大器和反馈电子器件进行了优化，提供低噪声，高分辨率使得它们适用于一些最苛刻的高性能应用。

除非特别注明，否则Aerotech将分辨率指定为1 sigma (rms)噪声或抖动值，由外部传感器(精密电容传感器或激光干涉仪)在测量带宽为1 kHz时测量。级伺服带宽设置为压电纳米定位器第一共振频率的1/3到1/5左右，因为这通常是伺服带宽在伺服不稳定发生之前可以增加到的最高频率。因为噪声主要是高斯分布的，用6乘以1的值就可以得到pk-pk噪声的近似值。除非特别说明，测量点以输出架上方约15mm的高度为中心。在噪声临界应用中，在较低的伺服带宽下进行测量会产生较低的噪声(抖动)。

值的开环和闭环决议规定。开环分辨率仅通过在功率电子而闭环分辨率包含反馈传感器和电子噪声以及功率放大器噪声的噪声控制。

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4.3重复性

Aerotech的QNP压电纳米定位阶段的可重复性指定为从多个双向全行程测量中计算出亚博微信vip群的1西格玛(标准差)值。为了获得双向可重复性的近似峰值值，将1 sigma值乘以6。例如，1西格玛可重复性指定的1 nm值大约为6 nm的峰值。

除非指定，否则规格测量居中并在输出台车的上方大约15毫米的高度。该规范仅适用于闭环反馈操作。

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4.4刚度

压电致动器或纳米定位器的刚度在输出滑架的行进方向指定。刚度是在设计中使用的压电堆，阶段弯曲和放大机构（一个或多个）的函数。较高的刚度压电阶段允许更高的动态定位中，如更快的移动和稳定时间和更好的动态跟踪性能。

在3.1节，最长行程（> 50微米）中提到的压电挠曲阶段使用杠杆放大以更紧凑的封装尺寸，以实现更长的行进。杠杆放大设计原因在行进（反比于杠杆放大比的平方）的方向的刚度相比，直接耦合设计时要降低。此外，大多数杠杆放大设计使致动器根据在行驶位置变化的刚度由于放大增益的非线性性质。出于这个原因，与制造和装置的公差沿，Aerotech的压电纳米级的刚度是在±20％的标称值指定。亚博微信vip群

的Aerotech压电纳米级被亚博微信vip群优化，以提供既溢价的动态性能和紧凑的阶段包。

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4.5谐振频率

纳米定位阶段的共振频率估计如下:亚博微信vip群


f_ñ是谐振频率（Hz），k是压电纳米定位器（N / M）和m的刚度_EFF是阶段（千克）的有效质量。
在非常普遍的意义时，它通常是在第一（最低）谐振，其限制可实现的伺服带宽的定位系统的频率。挠曲，支撑力学和压电致动器刚度的设计支配该谐振频率的位置。的Aerotech已优化我们的纳米定位压电阶段的动力学，以提供最佳的级封装的僵硬，高共亚博微信vip群振频率的设计。

通过将施加的质量到压电阶段中，谐振频率将通过下面的关系减小：



其中m_加载是所施加的负载的质量。

在杠杆放大设计，刚度可以改变整个行程，如上所述。因此，共振频率的变化将由刚度变化的平方根。例如，如果刚度变化7%，共振频率将在整个行程中移动约3.4%。

方程14和15将提供谐振频率的一阶近似中压电纳米定位系统。亚博微信vip群的动态由于阻尼，非线性刚度和质量的复杂的相互作用/惯性的影响引起这些计算仅提供所述谐振频率的近似值。如果需要为您的应用程序或过程的更精确的值，请联系我们，我们将协助在工程解决方案的设计和分析。

的Aerotech指定我们的压电纳米级的共振频率在与该给定有效载荷沿±20％的容差的标称值（空载，100克，等亚博微信vip群等）。

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4.6负载评级

压电致动器是陶瓷材料和易碎。与大多数陶瓷，PZTs具有比拉伸强度的较高的抗压强度。在我们的阶段设计中使用的致动器被预加载，以便在标准运行限值始终保持压缩载荷状态。我们的数据表中，我们指定是指在旅行的方向施加负荷推拉负荷极限。对于某些阶段，负载等级可以取决于所施加的载荷的方向是不同的。所有艾特航空额定载荷的最大值。如果你需要比在我们的数据表提供更大的额定载荷，请联系艾特应用工程师，因为我们可能能够轻松修改或定制设计，满足您的需求。

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4.7期望寿命

在Aerotech压电致动器柔性级的关键制导元件是使用FEA和分析技术，以确保长，可靠的运行。为这些弯曲元件选择的材料和尺寸确保了在关键区域的弹性弯曲和应力远远低于耐久极限。

如湿度，温度和施加的电压的因素都影响寿命和压电致动器的性能。如在第3.7节所讨论的，我们的致动器被密封和寿命测试，以确保数千装置寿命的小时。基于发展了多年的试验经验数据，我们可以提供基于所需的移动配置文件和预期的环境条件，其中压电纳米系统将驻留寿命估计。亚博微信vip群

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5.放大器的选择

本节给出用于选择基于给定的压电致动器和移动图压电放大器的基本概述。

由于压电级的位移与所施加的电压成正比，所以基本行程由放大器的工作电压决定。在开环操作的数据表中，沿开环行程给出了电压范围。通常，闭环行程小于开环行程，因为闭环控制通常需要更大的电压裕度来实现等效行程(由于滞后、动态运行、蠕变等)。虽然用于闭环控制的裕度依赖于阶段和应用程序，但假设闭环行程是使用指定的开环控制电压范围来实现的，这是保守和安全的。

大多数应用程序需要某种形式的动态操作。即使应用程序是定位样品或光学在不同的点在旅行和居住很长一段时间，压电阶段将需要移动到这些位置。

在操作频率大大低于压电堆的最低谐振频率（典型地10秒至千赫兹的100秒），压电叠堆组件充当电容器。回想一下公式8：



由于电压与位置成正比，压电致动器在位置变化的任何时候(例如，在压电阶段的速度)提取电流。这不同于典型的洛伦兹式伺服马达，它只在加速和减速时吸收电流(忽略损耗)。

我们放大器的输出的额定连续电流和峰值电流。连续和峰值电流的计算方法如下：






所需的移动简档的电流要求应该针对这些规范进行比较以确定该放大器能够采购期望的电流的压电致动器的。

如图10所示的示例曲线给出了放大器可能的最大峰值电压，基于不同压电叠加电容的正弦运动的电流额定值和操作频率。



考虑电压，功率以及用于选择一个压电级电流计算的以下附加的例子：

示例1

在35赫兹A 100微米峰峰值正弦运动是从与5μF的电容压电的阶段需要的话。所选择的放大器具有150 V / -30V，300 mA峰值额定电流的半双极性电源，以及130 mA连续电流额定值。请问这种放大器可以提供足够的电流来执行此举动？

实施例1的计算

假设执行100μm的峰峰值运动时，全电压范围内使用，并在中间行程时，电压是在平均值的干线电压（例如，60伏）的。因此：

V（T）= 90•SIN（2•π•35•T）+ 60

回忆,电容可以增加多达60%大信号条件下,这种计算使用的电容被认为是5μF•1.6 = 8μF。电流则计算为:

Ⅰ（T）=（2•π•35）•90•8E^-6•因为35岁(2•π••t) = 0.158•cos(2•35π••t)

因此，我_PK=158毫安和我_RMS= 112 mA。电压和电流波形如图11所示。



在该例子中，峰值和连续的电流都小于放大器评级。因此，该放大器能够提供必要的电流，以执行所期望的移动简档的。

示例2

从0移动到100μm的4毫秒，停留为60毫秒，再从100微米迁回0在4毫秒是用5μF的电容压电一个阶段的期望的输出运动曲线。所期望的放大器具有150 V / -30 V的半双极性电源，300 mA峰值额定电流以及130 mA连续电流额定值。请问这种放大器可以提供足够的电流来执行此举动？

例2的计算

实施例1中进行的相同的计算使用公式16，17和18同样地，假定电容由大约60％，以增加由于大信号条件下进行。电压和电流波形示于图12。



在此实例中，连续的电流低于所述放大器的所述评级。然而，峰值电流超过最大额定电流的放大器。因此，该放大器并不是能够供给必要的电流和功率，以执行所期望的移动简档的。

完整压电技术教程是可用的这里为PDF。

我们QNP系列压电纳米定位信息可这里。

关于我们的集成QLAB压电运动控制器的信息是可用的亚博微信vip群这里。

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