實驗名稱：壓電驅(qū)動器的電致振動特性研究

研究方向：壓電驅(qū)動器

測試目的：

旨在分析壓電驅(qū)動器的電激勵振動特性。以雙晶壓電懸臂梁為對象，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下的強迫振動微分方程。利用自行搭建的電激勵振動試驗系統(tǒng)，測試了不同幅值交流電壓激勵下壓電梁的諧響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。通過試驗驗證了理論分析的合理性，討論了激勵電壓和阻尼對諧響應(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)呈非線性，具有彈簧漸軟特性；壓電梁的共振頻率隨激勵電壓幅值的增大而減小，在6V、9V、12V交流電壓激勵下，壓電梁的共振頻率分別為55.6Hz、54.8Hz、54.4Hz；當(dāng)激勵電壓頻率等于壓電梁的固有頻率時，其橫向振幅達(dá)到峰值；當(dāng)激勵電壓頻率逐漸遠(yuǎn)離壓電梁的固有頻率時，其振幅則迅速降低；激勵電壓頻率接近共振頻率時梁會發(fā)生“拍振”現(xiàn)象；阻尼對壓電梁的共振抑振作用最為明顯。

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

測試設(shè)備：ATA-4052高壓功率放大器、頻率特性分析儀、多功能信號發(fā)生器、激光位移傳感器、動態(tài)信號采集系統(tǒng)和計算機。

實驗過程：

試驗開始前，給予已安裝固定好的試件初始瞬時激勵，然后記錄其自由振動瞬態(tài)響應(yīng)曲線，多次測量取平均值，最后通過衰減系數(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得壓電懸臂梁的第一階固有頻率為55.513Hz。使用多功能信號發(fā)生器輸入電激勵信號，經(jīng)功率放大器和導(dǎo)線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)間進行諧響應(yīng)測試。在壓電梁的共振、近共振和遠(yuǎn)離共振頻率區(qū)間測試壓電梁的瞬態(tài)響應(yīng)。試驗過程中，利用激光位移傳感器測試壓電懸臂梁自由端的振動位移，并采集信號傳送到計算機進行顯示。

實驗結(jié)果：

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

圖：試驗測試幅頻特性曲線

圖：試驗與理論幅頻特性的比較

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審核編輯黃宇