高壓功率放大器在壓電驅(qū)動(dòng)器的研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：壓電驅(qū)動(dòng)器的電致振動(dòng)特性研究

研究方向：壓電驅(qū)動(dòng)器

測(cè)試目的：

旨在分析壓電驅(qū)動(dòng)器的電激勵(lì)振動(dòng)特性。以雙晶壓電懸臂梁為對(duì)象，基于能量法和熱力學(xué)平衡方程推導(dǎo)了壓電懸臂梁在電壓激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)微分方程。利用自行搭建的電激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了不同幅值交流電壓激勵(lì)下壓電梁的諧響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的合理性，討論了激勵(lì)電壓和阻尼對(duì)諧響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：壓電懸臂梁的諧響應(yīng)呈非線(xiàn)性，具有彈簧漸軟特性；壓電梁的共振頻率隨激勵(lì)電壓幅值的增大而減小，在6V、9V、12V交流電壓激勵(lì)下，壓電梁的共振頻率分別為55.6Hz、54.8Hz、54.4Hz；當(dāng)激勵(lì)電壓頻率等于壓電梁的固有頻率時(shí)，其橫向振幅達(dá)到峰值；當(dāng)激勵(lì)電壓頻率逐漸遠(yuǎn)離壓電梁的固有頻率時(shí)，其振幅則迅速降低；激勵(lì)電壓頻率接近共振頻率時(shí)梁會(huì)發(fā)生“拍振”現(xiàn)象；阻尼對(duì)壓電梁的共振抑振作用最為明顯。

壓電驅(qū)動(dòng)器因其輸出位移大、靈敏度高、抗電磁干擾和斷裂韌性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于高應(yīng)變材料精密定位、多層器件設(shè)計(jì)、便攜式電子器件的大規(guī)模制造工藝、微型機(jī)器人的超聲波電機(jī)和智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。由于壓電驅(qū)動(dòng)器的工作與其振動(dòng)特性密切相關(guān)，所以深入了解電壓激勵(lì)下壓電結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性具有重要意義。

測(cè)試設(shè)備：ATA-4052高壓功率放大器、頻率特性分析儀、多功能信號(hào)發(fā)生器、激光位移傳感器、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

試驗(yàn)開(kāi)始前，給予已安裝固定好的試件初始瞬時(shí)激勵(lì)，然后記錄其自由振動(dòng)瞬態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)，多次測(cè)量取平均值，最后通過(guò)衰減系數(shù)法求出壓電懸臂梁的阻尼比約為0.03。使用頻率特性分析儀測(cè)得壓電懸臂梁的第一階固有頻率為55.513Hz。使用多功能信號(hào)發(fā)生器輸入電激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功率放大器和導(dǎo)線(xiàn)在壓電懸臂梁的上下表面電極上施加電壓。在壓電懸臂梁的共振頻率區(qū)間進(jìn)行諧響應(yīng)測(cè)試。在壓電梁的共振、近共振和遠(yuǎn)離共振頻率區(qū)間測(cè)試壓電梁的瞬態(tài)響應(yīng)。試驗(yàn)過(guò)程中，利用激光位移傳感器測(cè)試壓電懸臂梁自由端的振動(dòng)位移，并采集信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

基于能量法和熱力學(xué)平衡方程推導(dǎo)了電壓激勵(lì)下壓電雙晶懸臂梁的強(qiáng)迫振動(dòng)微分方程，測(cè)試了電壓激勵(lì)下雙晶壓電懸臂梁的振動(dòng)響應(yīng)，理論與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓電梁的振動(dòng)響應(yīng)呈彈簧漸軟特性，在6V、9V、12V交流電壓激勵(lì)下的共振頻率分別為55.6Hz、54.8Hz、54.4Hz。考慮工程實(shí)際中的非線(xiàn)性現(xiàn)象，若要增大壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)效率，增大激勵(lì)電壓幅值的同時(shí)還需適當(dāng)減小激勵(lì)電壓頻率使其處于共振狀態(tài)。阻尼對(duì)共振響應(yīng)的抑振作用最明顯，9V共振頻率電壓激勵(lì)下，t=5s時(shí)壓電梁在ζ=0.03時(shí)的振幅比在ζ=0.01時(shí)的振幅下降了約62.0%。本文所得結(jié)論可為提高壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)效率問(wèn)題提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

圖：試驗(yàn)測(cè)試幅頻特性曲線(xiàn)

圖：試驗(yàn)與理論幅頻特性的比較

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審核編輯黃宇