實(shí)驗(yàn)名稱：壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的位移響應(yīng)

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)控制來減小翼面表面的流動(dòng)阻力。根據(jù)翼面流動(dòng)控制反應(yīng)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(qū)動(dòng)器，集成了一個(gè)柔性動(dòng)壁實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬海豚表皮高速運(yùn)動(dòng)下的狀態(tài)，并通過位移測(cè)量和數(shù)值模擬觀察其減阻特性。通過激光位移傳感器對(duì)動(dòng)壁實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)其表面產(chǎn)生的駐波存在倍頻現(xiàn)象，引發(fā)這種現(xiàn)象的緣由是驅(qū)動(dòng)電壓的相位差，放大后信號(hào)失真以及壓電疊堆本身的遲滯效應(yīng)，針對(duì)這種狀態(tài)，提出了通過示波器實(shí)時(shí)監(jiān)控，改變放大倍數(shù)以及通過非線性遲滯模型來調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓等方法，以消除倍頻現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^對(duì)動(dòng)壁實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的位移測(cè)量和數(shù)值模擬，驗(yàn)證動(dòng)壁駐波運(yùn)動(dòng)的減阻效果。結(jié)果表明，其減阻的機(jī)理是駐波運(yùn)動(dòng)在柔性動(dòng)壁表面產(chǎn)生了一列穩(wěn)定的渦旋；駐波運(yùn)動(dòng)的頻率相較于振幅而言對(duì)減阻效果的影響更大。

測(cè)試設(shè)備：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、ATA-4315高壓功率放大器、激光測(cè)振儀、數(shù)字存儲(chǔ)示波器等。

實(shí)驗(yàn)過程：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(fù)極線分別以紅色和黑色的標(biāo)示出來并外接75mm長(zhǎng)。由于在驅(qū)動(dòng)過程中，常常會(huì)對(duì)壓電疊堆施加不同幅值不同頻率的電壓，根據(jù)壓電疊堆工作原理，其在不同情況下的位移不盡相同，測(cè)量了其在不同參數(shù)的交變電壓下的位移響應(yīng)。

壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的位移測(cè)量裝置示意圖如下圖所示，壓電疊堆通過硅橡膠粘連在剛性承載平臺(tái)上，底部可當(dāng)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(tái)固定在隔振臺(tái)上，避免外界振動(dòng)對(duì)測(cè)量造成影響。通過函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生想要的驅(qū)動(dòng)電壓，通過功率放大器將電壓進(jìn)行放大，然后分別以正負(fù)極接入壓電疊堆進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過激光測(cè)振儀測(cè)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(qiáng)反光效果薄膜，激光測(cè)振儀所測(cè)得距離變換轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化，通過示波器將其記錄下來并乘以相應(yīng)的靈敏度，即可得到壓電疊堆的位移。

在壓電疊堆被施加驅(qū)動(dòng)電壓之后，通過單點(diǎn)激光測(cè)振儀對(duì)其表面位移進(jìn)行測(cè)量。該激光測(cè)振儀基于激光多普勒原理進(jìn)行測(cè)量，將輸出激光照射到待測(cè)目標(biāo)上，同時(shí)收集目標(biāo)反射激光，經(jīng)干涉產(chǎn)生正比于目標(biāo)速度的多普勒頻移信號(hào)，經(jīng)內(nèi)置于控制器內(nèi)的解碼器運(yùn)算處理，輸出被測(cè)物的速度值和位移值。核心設(shè)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(biāo)準(zhǔn)光學(xué)頭，可在距目標(biāo)0.5米~100米距離上進(jìn)行測(cè)量，具有極高的測(cè)量分辨率和極大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，可測(cè)量原子級(jí)微弱振動(dòng)到數(shù)十萬g沖擊。在帶寬為1Hz的情況下，其速度分辨率可達(dá)到0.02，位移分辨率最高可至0.15nm，對(duì)于壓電疊堆的微米級(jí)位移而言，其完全可以滿足測(cè)量的要求。

激光位移傳感器所得信號(hào)通過BNC線傳輸?shù)綌?shù)字存儲(chǔ)示波器中，該示波器擁有四通道，可以存儲(chǔ)100kpts的數(shù)據(jù)，最快更新速率高達(dá)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(hào)和函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)記錄下來，通過數(shù)字處理將其輸出為電信號(hào)，從中可以得到壓電疊堆的具體位移與所施加的激勵(lì)源之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：從上述壓電疊堆工作原理來看，壓電疊堆在直流電壓下的位移響應(yīng)與電壓基本成正比關(guān)系，但在實(shí)際工作中，通常驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)根據(jù)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，也就是說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(qū)動(dòng)器內(nèi)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(yīng)與電壓之間的關(guān)系。

對(duì)于壓電疊堆而言，為了研究電壓幅值與位移響應(yīng)之間的線性關(guān)系，需要保證電壓幅值是線性增長(zhǎng)，也就是對(duì)于壓電疊堆輸入一個(gè)三角波。但是通常驅(qū)動(dòng)電壓都是由平滑的三角函數(shù)形式構(gòu)成，因此對(duì)于兩種不同的波形，首先需要研究其函數(shù)形式對(duì)于壓電疊堆的位移響應(yīng)會(huì)有什么影響。通過任意函數(shù)發(fā)生器，對(duì)壓電疊堆分別施加三角波和最常見的三角函數(shù)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。通過激光位移傳感器測(cè)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(qū)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5%，由此可以看出，三角波形和正弦波形對(duì)于壓電疊堆的位移響應(yīng)并沒有明顯的影響。隨后通過調(diào)整功率放大器的放大倍數(shù)，對(duì)壓電疊堆施加不同幅值的電壓，觀察不同幅值電壓下壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的位移響應(yīng)。如圖2.8所示，在驅(qū)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，并且遲滯曲線的寬度明顯減小，這表明在低電壓下壓電疊堆的遲滯效應(yīng)較弱。

此外，對(duì)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程中，壓電疊堆的位移與電壓之間基本處于線性關(guān)系，但是在電壓卸載過程中，壓電疊堆的位移出現(xiàn)明顯的非線性，其并沒有按照原本的線性曲線返回，而是出現(xiàn)了一個(gè)位移上的滯后，圖中體現(xiàn)為加載曲線和卸載曲線之間的空隙。這種滯后現(xiàn)象與磁滯現(xiàn)象非常相似，構(gòu)成壓電疊堆的壓電陶瓷片在制作流程中經(jīng)過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，變化過程中電極化強(qiáng)度P和電場(chǎng)強(qiáng)度E的變化曲線與鐵磁體的磁滯回線非常相似，這種現(xiàn)象被稱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)，例如在電壓升降過程中的電滯回線與鐵磁體的磁滯回線有著類似的形式，鐵電體中的電疇與磁體中的磁疇對(duì)應(yīng)。在外加交變電壓下，具有鐵電性的壓電陶瓷的電極化強(qiáng)度與外加電場(chǎng)之間的關(guān)系并非線性關(guān)系，這個(gè)現(xiàn)象被稱為電滯現(xiàn)象[79]。它形成的原因是因?yàn)閴弘娋w具有一定的不對(duì)稱性，x軸的晶格常數(shù)和z軸的晶格常數(shù)并不相等，壓電陶瓷在經(jīng)過極化處理后仍然存在著一些與極化方向?yàn)?0°的電偶極子。壓電陶瓷在相對(duì)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(yīng)，使得壓電陶瓷產(chǎn)生線性的位移。然而當(dāng)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°的電疇逐漸開始運(yùn)動(dòng)，由于原本x軸的晶格常數(shù)和z軸的晶格常數(shù)不相等，這種兩軸的轉(zhuǎn)動(dòng)就導(dǎo)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性關(guān)系。另外，與極化方向呈90°的電疇存在著兩種類型，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，壓電陶瓷的位移無法完全復(fù)制加載過程，其位移非線性會(huì)進(jìn)一步加大，這就出現(xiàn)了壓電疊堆的電滯現(xiàn)象

壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的外加激勵(lì)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(shù)。由于壓電疊堆的電容性，其在外加電壓下會(huì)使得內(nèi)部電荷運(yùn)動(dòng)，從而移動(dòng)到正負(fù)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快，就有可能導(dǎo)致電荷沒有移動(dòng)到位，壓電陶瓷片沒有極化完全，相應(yīng)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(lì)壓電疊堆，測(cè)量其位移的變化。如圖2.9所示，給壓電疊堆驅(qū)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(cè)振儀的結(jié)果來看，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(xiàn)，壓電疊堆的動(dòng)態(tài)位移相位基本與驅(qū)動(dòng)電壓一致，并且位移與電壓之間的相位差在1000Hz時(shí)達(dá)到3°。由于本實(shí)驗(yàn)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高，在低頻情況下，壓電疊堆的相位與電壓頻率之間幾乎沒有關(guān)系。這對(duì)于翼面流動(dòng)控制來說是一個(gè)好的特性，在改變頻率的情況下壓電疊堆驅(qū)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(diào)整空間。

圖：ATA-4315高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇