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(lái)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(guò)位移測(cè)量和數(shù)值模擬觀察其減阻特性。通過(guò)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(guò)示波器實(shí)時(shí)監(jiān)控，改變放大倍數(shù)以及通過(guò)非線性遲滯模型來(lái)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?/strong>通過(guò)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(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(fù)極線分別以紅色和黑色的標(biāo)示出來(lái)并外接75mm長(zhǎng)。由于在驅(qū)動(dòng)過(guò)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(guò)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，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(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生想要的驅(qū)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(fù)極接入壓電疊堆進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò)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(guò)示波器將其記錄下來(lái)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(guò)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(wàn)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，其可以滿足測(cè)量的要求。

　　激光位移傳感器所得信號(hào)通過(guò)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(lái)，通過(guò)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(lái)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(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(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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(méi)有明顯的影響。隨后通過(guò)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?gòu)淖畲笾德浠亓泓c(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性關(guān)系，但是在電壓卸載過(guò)程中，壓電疊堆的位移出現(xiàn)明顯的非線性，其并沒(méi)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(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(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(guò)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(guò)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(kāi)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(wú)法復(fù)制加載過(guò)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(guò)快，就有可能導(dǎo)致電荷沒(méi)有移動(dòng)到位，壓電陶瓷片沒(méi)有極化完成，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(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(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(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(duì)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(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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