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實(shí)驗名稱(chēng)：壓電疊堆驅動(dòng)器的位移響應 研究方向：選用一種新型的主動(dòng)流動(dòng)控制方法——仿生流動(dòng)控制來(lái)減小翼面表面的流動(dòng)阻力。根據翼面流動(dòng)控制反應時(shí)間短、輸出力大和位移較大等要求，在常用的智能材料中選擇了BCS3-05051壓電疊堆驅動(dòng)器，集成了一個(gè)柔性動(dòng)壁實(shí)驗系統，模擬海豚表皮高速運動(dòng)下的狀態(tài)，并通過(guò)位移測量和數值模擬觀(guān)察其減阻特性。通過(guò)激光位移傳感器對動(dòng)壁實(shí)驗系統進(jìn)行位移測量時(shí)，發(fā)現其表面產(chǎn)生的駐波存在倍頻現象，引發(fā)這種現象的緣由是驅動(dòng)電壓的相位差，放大后信號失真以及壓電疊堆本身的遲滯效應，針對這種狀態(tài)，提出了通過(guò)示波器實(shí)時(shí)監控，改變放大倍數以及通過(guò)非線(xiàn)性遲滯模型來(lái)調整驅動(dòng)電壓等方法，以消除倍頻現象。 實(shí)驗目的：通過(guò)對動(dòng)壁實(shí)驗系統的位移測量和數值模擬，驗證動(dòng)壁駐波運動(dòng)的減阻效果。結果表明，其減阻的機理是駐波運動(dòng)在柔性動(dòng)壁表面產(chǎn)生了一列穩定的渦旋；駐波運動(dòng)的頻率相較于振幅而言對減阻效果的影響更大。 測試設備：函數信號發(fā)生器、ATA-4315高壓功率放大器、激光測振儀、數字存儲示波器等。 實(shí)驗過(guò)程：BCS3-050518壓電疊堆實(shí)物圖如下圖所示，外層為絕緣塑料膜，正負極線(xiàn)分別以紅色和黑色的標示出來(lái)并外接75mm長(cháng)。由于在驅動(dòng)過(guò)程中，常常會(huì )對壓電疊堆施加不同幅值不同頻率的電壓，根據壓電疊堆工作原理，其在不同情況下的位移不盡相同，測量了其在不同參數的交變電壓下的位移響應。 壓電疊堆驅動(dòng)器的位移測量裝置示意圖如下圖所示，壓電疊堆通過(guò)硅橡膠粘連在剛性承載平臺上，底部可當成固定邊界條件，頂部不附加任何載荷，完全自由邊界條件。由于壓電疊堆的位移較為微小，因此將剛性承載平臺固定在隔振臺上，避免外界振動(dòng)對測量造成影響。通過(guò)函數信號發(fā)生器產(chǎn)生想要的驅動(dòng)電壓，通過(guò)功率放大器將電壓進(jìn)行放大，然后分別以正負極接入壓電疊堆進(jìn)行驅動(dòng)。通過(guò)激光測振儀測量壓電疊堆表面的位移，為了提高激光的反射率，在其表面貼上增強反光效果薄膜，激光測振儀所測得距離變換轉換為電壓信號的變化，通過(guò)示波器將其記錄下來(lái)并乘以相應的靈敏度，即可得到壓電疊堆的位移。 在壓電疊堆被施加驅動(dòng)電壓之后，通過(guò)單點(diǎn)激光測振儀對其表面位移進(jìn)行測量。該激光測振儀基于激光多普勒原理進(jìn)行測量，將輸出激光照射到待測目標上，同時(shí)收集目標反射激光，經(jīng)干涉產(chǎn)生正比于目標速度的多普勒頻移信號，經(jīng)內置于控制器內的解碼器運算處理，輸出被測物的速度值和位移值。核心設備分別為圖中所示的高性能控制器和非接觸式高靈敏度光學(xué)頭，這里采用的是標準光學(xué)頭，可在距目標0.5米~100米距離上進(jìn)行測量，具有極高的測量分辨率和極大的動(dòng)態(tài)測量范圍，可測量原子級微弱振動(dòng)到數十萬(wàn)g沖擊。在帶寬為1Hz的情況下，其速度分辨率可達到0.02，位移分辨率最高可至0.15nm，對于壓電疊堆的微米級位移而言，其完全可以滿(mǎn)足測量的要求。 激光位移傳感器所得信號通過(guò)BNC線(xiàn)傳輸到數字存儲示波器中，該示波器擁有四通道，可以存儲100kpts的數據，最快更新速率高達50000個(gè)波形/秒，示波器可以同時(shí)將激光位移傳感器發(fā)出的電壓信號和函數發(fā)生器產(chǎn)生的信號記錄下來(lái)，通過(guò)數字處理將其輸出為電信號，從中可以得到壓電疊堆的具體位移與所施加的激勵源之間的關(guān)系。 實(shí)驗結果：從上述壓電疊堆工作原理來(lái)看，壓電疊堆在直流電壓下的位移響應與電壓基本成正比關(guān)系，但在實(shí)際工作中，通常驅動(dòng)電壓會(huì )根據需求進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，也就是說(shuō)施加在壓電疊堆上的電壓幅值并不是一個(gè)定值，在變化電壓幅值下，壓電疊堆驅動(dòng)器內部連接用的膠層由于剛度與壓電陶瓷片相差較大，其變形速度與壓電陶瓷片并不一致，因此需要研究其位移響應與電壓之間的關(guān)系。 對于壓電疊堆而言，為了研究電壓幅值與位移響應之間的線(xiàn)性關(guān)系，需要保證電壓幅值是線(xiàn)性增長(cháng)，也就是對于壓電疊堆輸入一個(gè)三角波。但是通常驅動(dòng)電壓都是由平滑的三角函數形式構成，因此對于兩種不同的波形，首先需要研究其函數形式對于壓電疊堆的位移響應會(huì )有什么影響。通過(guò)任意函數發(fā)生器，對壓電疊堆分別施加三角波和最常見(jiàn)的三角函數正弦波，兩種波形的頻率一致，并且盡量小，接近于直流狀態(tài)，電壓峰峰值也一致，如圖2.7(a)所示。通過(guò)激光位移傳感器測得壓電疊堆在兩種電壓波形下的位移，如圖2.7(b)所示。圖中可以看出，兩種波形下的壓電疊堆驅動(dòng)器位移形式較為相似，單個(gè)電壓下的位移之間誤差不超過(guò)5%，由此可以看出，三角波形和正弦波形對于壓電疊堆的位移響應并沒(méi)有明顯的影響。隨后通過(guò)調整功率放大器的放大倍數，對壓電疊堆施加不同幅值的電壓，觀(guān)察不同幅值電壓下壓電疊堆驅動(dòng)器的位移響應。如圖2.8所示，在驅動(dòng)電壓從60V下降至一半30V以后，最大位移下降了不止一半，并且遲滯曲線(xiàn)的寬度明顯減小，這表明在低電壓下壓電疊堆的遲滯效應較弱。 此外，對于圖2.7，在施加的電壓從零加載到最大值，再從最大值落回零點(diǎn)的時(shí)候，可以明顯看出在電壓加載過(guò)程中，壓電疊堆的位移與電壓之間基本處于線(xiàn)性關(guān)系，但是在電壓卸載過(guò)程中，壓電疊堆的位移出現明顯的非線(xiàn)性，其并沒(méi)有按照原本的線(xiàn)性曲線(xiàn)返回，而是出現了一個(gè)位移上的滯后，圖中體現為加載曲線(xiàn)和卸載曲線(xiàn)之間的空隙。這種滯后現象與磁滯現象非常相似，構成壓電疊堆的壓電陶瓷片在制作流程中經(jīng)過(guò)施加高壓和高溫的極化操作，其本身具備了自發(fā)極化的能力，在外電場(chǎng)的作用下，壓電陶瓷片中的電偶極矩方向會(huì )發(fā)生變化，變化過(guò)程中電極化強度P和電場(chǎng)強度E的變化曲線(xiàn)與鐵磁體的磁滯回線(xiàn)非常相似，這種現象被稱(chēng)為壓電陶瓷的鐵電性。具有鐵電性的壓電陶瓷與磁體有許多相似的物理性質(zhì)，例如在電壓升降過(guò)程中的電滯回線(xiàn)與鐵磁體的磁滯回線(xiàn)有著(zhù)類(lèi)似的形式，鐵電體中的電疇與磁體中的磁疇對應。在外加交變電壓下，具有鐵電性的壓電陶瓷的電極化強度與外加電場(chǎng)之間的關(guān)系并非線(xiàn)性關(guān)系，這個(gè)現象被稱(chēng)為電滯現象[79]。它形成的原因是因為壓電晶體具有一定的不對稱(chēng)性，x軸的晶格常數和z軸的晶格常數并不相等，壓電陶瓷在經(jīng)過(guò)極化處理后仍然存在著(zhù)一些與極化方向為90°的電偶極子。壓電陶瓷在相對較低電壓下的位移主要是由于外電場(chǎng)使得壓電晶體中的電偶極子發(fā)生了極化，這種極化方向的變化也就是逆壓電效應，使得壓電陶瓷產(chǎn)生線(xiàn)性的位移。然而當壓電陶瓷受到較高的電壓時(shí)，壓電晶體中與極化方向呈90°的電疇逐漸開(kāi)始運動(dòng)，由于原本x軸的晶格常數和z軸的晶格常數不相等，這種兩軸的轉動(dòng)就導致了壓電晶體在極化方向上的位移變化與電壓之間并非呈線(xiàn)性關(guān)系。另外，與極化方向呈90°的電疇存在著(zhù)兩種類(lèi)型，一種在電壓卸載后會(huì )重新回到90°方向，另一種則是不可逆的狀態(tài)，即使電壓卸載后方向也不會(huì )改變，仍然處于極化方向。因此在外加電場(chǎng)卸載后，壓電陶瓷的位移無(wú)法完全復制加載過(guò)程，其位移非線(xiàn)性會(huì )進(jìn)一步加大，這就出現了壓電疊堆的電滯現象 壓電疊堆驅動(dòng)器的外加激勵電壓除了其波形和幅值以外，頻率也是其中的一個(gè)重要參數。由于壓電疊堆的電容性，其在外加電壓下會(huì )使得內部電荷運動(dòng)，從而移動(dòng)到正負電極表面上。這種電荷的移動(dòng)需要一定的時(shí)間，如果外加電壓變換過(guò)快，就有可能導致電荷沒(méi)有移動(dòng)到位，壓電陶瓷片沒(méi)有極化完全，相應的產(chǎn)生的位移也就不同。因此選用不同頻率的正弦交變電壓激勵壓電疊堆，測量其位移的變化。如圖2.9所示，給壓電疊堆驅動(dòng)器施加一個(gè)30V的正弦交變電壓，頻率分別為1Hz、10Hz和100Hz，從激光測振儀的結果來(lái)看，壓電疊堆的最大位移與正弦交變電壓的頻率成反比關(guān)系，頻率增大時(shí)最大位移減小，100Hz時(shí)的最大位移比之1Hz時(shí)減小了10.48% 此外將正弦交變電壓的頻率逐步提高，將位移的相位與輸入電壓的相位進(jìn)行比較，從圖2.10中可以發(fā)現，壓電疊堆的動(dòng)態(tài)位移相位基本與驅動(dòng)電壓一致，并且位移與電壓之間的相位差在1000Hz時(shí)達到3°。由于本實(shí)驗中壓電疊堆一端的邊界條件處于自由狀態(tài)，因此其加載電壓的頻率不可過(guò)高，在低頻情況下，壓電疊堆的相位與電壓頻率之間幾乎沒(méi)有關(guān)系。這對于翼面流動(dòng)控制來(lái)說(shuō)是一個(gè)好的特性，在改變頻率的情況下壓電疊堆驅動(dòng)器的位移相位并不會(huì )隨之改變，這給了主動(dòng)控制一定的調整空間。 圖：ATA-4315高壓功率放大器指標參數 本文實(shí)驗素材由西安安泰電子整理發(fā)布，西安安泰電子科技有限公司（Aigtek）是國內專(zhuān)業(yè)從事測量?jì)x器研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的高科技企業(yè)。公司致力于功率放大器、功率信號源、功率放大模塊、計量校準產(chǎn)品等產(chǎn)品為核心的相關(guān)行業(yè)測試解決方案的研究，為用戶(hù)提供具有競爭力的測試方案，Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線(xiàn)，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。功率放大器https://www.aigtek.com |
