高压功率放大器在压电叠堆驱动器研究中的应用

实验名称：压电叠堆驱动器的位移响应

研究方向：选用一种新型的主动流动控制方法——仿生流动控制来减小翼面表面的流动阻力。根据翼面流动控制反应时间短、输出力大和位移较大等要求，在常用的智能材料中选择了BCS3-05051压电叠堆驱动器，集成了一个柔性动壁实验系统，模拟海豚表皮高速运动下的状态，并通过位移测量和数值模拟观察其减阻特性。通过激光位移传感器对动壁实验系统进行位移测量时，发现其表面产生的驻波存在倍频现象，引发这种现象的缘由是驱动电压的相位差，放大后信号失真以及压电叠堆本身的迟滞效应，针对这种状态，提出了通过示波器实时监控，改变放大倍数以及通过非线性迟滞模型来调整驱动电压等方法，以消除倍频现象。

实验目的：通过对动壁实验系统的位移测量和数值模拟，验证动壁驻波运动的减阻效果。结果表明，其减阻的机理是驻波运动在柔性动壁表面产生了一列稳定的涡旋；驻波运动的频率相较于振幅而言对减阻效果的影响更大。

测试设备：函数信号发生器、ATA-4315高压功率放大器、激光测振仪、数字存储示波器等。

实验过程：BCS3-050518压电叠堆实物图如下图所示，外层为绝缘塑料膜，正负极线分别以红色和黑色的标示出来并外接75mm长。由于在驱动过程中，常常会对压电叠堆施加不同幅值不同频率的电压，根据压电叠堆工作原理，其在不同情况下的位移不尽相同，测量了其在不同参数的交变电压下的位移响应。

压电叠堆驱动器的位移测量装置示意图如下图所示，压电叠堆通过硅橡胶粘连在刚性承载平台上，底部可当成固定边界条件，顶部不附加任何载荷，完全自由边界条件。由于压电叠堆的位移较为微小，因此将刚性承载平台固定在隔振台上，避免外界振动对测量造成影响。通过函数信号发生器产生想要的驱动电压，通过功率放大器将电压进行放大，然后分别以正负极接入压电叠堆进行驱动。通过激光测振仪测量压电叠堆表面的位移，为了提高激光的反射率，在其表面贴上增强反光效果薄膜，激光测振仪所测得距离变换转换为电压信号的变化，通过示波器将其记录下来并乘以相应的灵敏度，即可得到压电叠堆的位移。

在压电叠堆被施加驱动电压之后，通过单点激光测振仪对其表面位移进行测量。该激光测振仪基于激光多普勒原理进行测量，将输出激光照射到待测目标上，同时收集目标反射激光，经干涉产生正比于目标速度的多普勒频移信号，经内置于控制器内的解码器运算处理，输出被测物的速度值和位移值。核心设备分别为图中所示的高性能控制器和非接触式高灵敏度光学头，这里采用的是标准光学头，可在距目标0.5米~100米距离上进行测量，具有极高的测量分辨率和极大的动态测量范围，可测量原子级微弱振动到数十万g冲击。在带宽为1Hz的情况下，其速度分辨率可达到0.02，位移分辨率最高可至0.15nm，对于压电叠堆的微米级位移而言，其完全可以满足测量的要求。

激光位移传感器所得信号通过BNC线传输到数字存储示波器中，该示波器拥有四通道，可以存储100kpts的数据，最快更新速率高达50000个波形/秒，示波器可以同时将激光位移传感器发出的电压信号和函数发生器产生的信号记录下来，通过数字处理将其输出为电信号，从中可以得到压电叠堆的具体位移与所施加的激励源之间的关系。

实验结果：从上述压电叠堆工作原理来看，压电叠堆在直流电压下的位移响应与电压基本成正比关系，但在实际工作中，通常驱动电压会根据需求进行实时变化，也就是说施加在压电叠堆上的电压幅值并不是一个定值，在变化电压幅值下，压电叠堆驱动器内部连接用的胶层由于刚度与压电陶瓷片相差较大，其变形速度与压电陶瓷片并不一致，因此需要研究其位移响应与电压之间的关系。

对于压电叠堆而言，为了研究电压幅值与位移响应之间的线性关系，需要保证电压幅值是线性增长，也就是对于压电叠堆输入一个三角波。但是通常驱动电压都是由平滑的三角函数形式构成，因此对于两种不同的波形，首先需要研究其函数形式对于压电叠堆的位移响应会有什么影响。通过任意函数发生器，对压电叠堆分别施加三角波和最常见的三角函数正弦波，两种波形的频率一致，并且尽量小，接近于直流状态，电压峰峰值也一致，如图2.7(a)所示。通过激光位移传感器测得压电叠堆在两种电压波形下的位移，如图2.7(b)所示。图中可以看出，两种波形下的压电叠堆驱动器位移形式较为相似，单个电压下的位移之间误差不超过5%，由此可以看出，三角波形和正弦波形对于压电叠堆的位移响应并没有明显的影响。随后通过调整功率放大器的放大倍数，对压电叠堆施加不同幅值的电压，观察不同幅值电压下压电叠堆驱动器的位移响应。如图2.8所示，在驱动电压从60V下降至一半30V以后，最大位移下降了不止一半，并且迟滞曲线的宽度明显减小，这表明在低电压下压电叠堆的迟滞效应较弱。

此外，对于图2.7，在施加的电压从零加载到最大值，再从最大值落回零点的时候，可以明显看出在电压加载过程中，压电叠堆的位移与电压之间基本处于线性关系，但是在电压卸载过程中，压电叠堆的位移出现明显的非线性，其并没有按照原本的线性曲线返回，而是出现了一个位移上的滞后，图中体现为加载曲线和卸载曲线之间的空隙。这种滞后现象与磁滞现象非常相似，构成压电叠堆的压电陶瓷片在制作流程中经过施加高压和高温的极化操作，其本身具备了自发极化的能力，在外电场的作用下，压电陶瓷片中的电偶极矩方向会发生变化，变化过程中电极化强度P和电场强度E的变化曲线与铁磁体的磁滞回线非常相似，这种现象被称为压电陶瓷的铁电性。具有铁电性的压电陶瓷与磁体有许多相似的物理性质，例如在电压升降过程中的电滞回线与铁磁体的磁滞回线有着类似的形式，铁电体中的电畴与磁体中的磁畴对应。在外加交变电压下，具有铁电性的压电陶瓷的电极化强度与外加电场之间的关系并非线性关系，这个现象被称为电滞现象[79]。它形成的原因是因为压电晶体具有一定的不对称性，x轴的晶格常数和z轴的晶格常数并不相等，压电陶瓷在经过极化处理后仍然存在着一些与极化方向为90°的电偶极子。压电陶瓷在相对较低电压下的位移主要是由于外电场使得压电晶体中的电偶极子发生了极化，这种极化方向的变化也就是逆压电效应，使得压电陶瓷产生线性的位移。然而当压电陶瓷受到较高的电压时，压电晶体中与极化方向呈90°的电畴逐渐开始运动，由于原本x轴的晶格常数和z轴的晶格常数不相等，这种两轴的转动就导致了压电晶体在极化方向上的位移变化与电压之间并非呈线性关系。另外，与极化方向呈90°的电畴存在着两种类型，一种在电压卸载后会重新回到90°方向，另一种则是不可逆的状态，即使电压卸载后方向也不会改变，仍然处于极化方向。因此在外加电场卸载后，压电陶瓷的位移无法完全复制加载过程，其位移非线性会进一步加大，这就出现了压电叠堆的电滞现象

压电叠堆驱动器的外加激励电压除了其波形和幅值以外，频率也是其中的一个重要参数。由于压电叠堆的电容性，其在外加电压下会使得内部电荷运动，从而移动到正负电极表面上。这种电荷的移动需要一定的时间，如果外加电压变换过快，就有可能导致电荷没有移动到位，压电陶瓷片没有极化完全，相应的产生的位移也就不同。因此选用不同频率的正弦交变电压激励压电叠堆，测量其位移的变化。如图2.9所示，给压电叠堆驱动器施加一个30V的正弦交变电压，频率分别为1Hz、10Hz和100Hz，从激光测振仪的结果来看，压电叠堆的最大位移与正弦交变电压的频率成反比关系，频率增大时最大位移减小，100Hz时的最大位移比之1Hz时减小了10.48%

此外将正弦交变电压的频率逐步提高，将位移的相位与输入电压的相位进行比较，从图2.10中可以发现，压电叠堆的动态位移相位基本与驱动电压一致，并且位移与电压之间的相位差在1000Hz时达到3°。由于本实验中压电叠堆一端的边界条件处于自由状态，因此其加载电压的频率不可过高，在低频情况下，压电叠堆的相位与电压频率之间几乎没有关系。这对于翼面流动控制来说是一个好的特性，在改变频率的情况下压电叠堆驱动器的位移相位并不会随之改变，这给了主动控制一定的调整空间。

图：ATA-4315高压功率放大器指标参数

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