高压功率放大器在压电驱动器的研究中的应用

实验名称：压电驱动器的电致振动特性研究

研究方向：压电驱动器

测试目的：

旨在分析压电驱动器的电激励振动特性。以双晶压电悬臂梁为对象，基于能量法和热力学平衡方程推导了压电悬臂梁在电压激励下的强迫振动微分方程。利用自行搭建的电激励振动试验系统，测试了不同幅值交流电压激励下压电梁的谐响应和瞬态响应。通过试验验证了理论分析的合理性，讨论了激励电压和阻尼对谐响应和瞬态响应的影响。结果表明：压电悬臂梁的谐响应呈非线性，具有弹簧渐软特性；压电梁的共振频率随激励电压幅值的增大而减小，在6V、9V、12V交流电压激励下，压电梁的共振频率分别为55.6Hz、54.8Hz、54.4Hz；当激励电压频率等于压电梁的固有频率时，其横向振幅达到峰值；当激励电压频率逐渐远离压电梁的固有频率时，其振幅则迅速降低；激励电压频率接近共振频率时梁会发生“拍振”现象；阻尼对压电梁的共振抑振作用最为明显。

压电驱动器因其输出位移大、灵敏度高、抗电磁干扰和断裂韧性强等优势，广泛应用于高应变材料精密定位、多层器件设计、便携式电子器件的大规模制造工艺、微型机器人的超声波电机和智能结构等领域。由于压电驱动器的工作与其振动特性密切相关，所以深入了解电压激励下压电结构的振动特性具有重要意义。

测试设备：ATA-4052高压功率放大器、频率特性分析仪、多功能信号发生器、激光位移传感器、动态信号采集系统和计算机。

实验过程：

试验开始前，给予已安装固定好的试件初始瞬时激励，然后记录其自由振动瞬态响应曲线，多次测量取平均值，最后通过衰减系数法求出压电悬臂梁的阻尼比约为0.03。使用频率特性分析仪测得压电悬臂梁的第一阶固有频率为55.513Hz。使用多功能信号发生器输入电激励信号，经功率放大器和导线在压电悬臂梁的上下表面电极上施加电压。在压电悬臂梁的共振频率区间进行谐响应测试。在压电梁的共振、近共振和远离共振频率区间测试压电梁的瞬态响应。试验过程中，利用激光位移传感器测试压电悬臂梁自由端的振动位移，并采集信号传送到计算机进行显示。

实验结果：

基于能量法和热力学平衡方程推导了电压激励下压电双晶悬臂梁的强迫振动微分方程，测试了电压激励下双晶压电悬臂梁的振动响应，理论与试验结果相吻合。试验结果表明，压电梁的振动响应呈弹簧渐软特性，在6V、9V、12V交流电压激励下的共振频率分别为55.6Hz、54.8Hz、54.4Hz。考虑工程实际中的非线性现象，若要增大压电驱动器的驱动效率，增大激励电压幅值的同时还需适当减小激励电压频率使其处于共振状态。阻尼对共振响应的抑振作用最明显，9V共振频率电压激励下，t=5s时压电梁在ζ=0.03时的振幅比在ζ=0.01时的振幅下降了约62.0%。本文所得结论可为提高压电驱动器的驱动效率问题提供理论与实践指导。

图：试验测试幅频特性曲线

图：试验与理论幅频特性的比较

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审核编辑黄宇