壓電陶瓷驅(qū)動器菱形位移放大機構(gòu)的動態(tài)應(yīng)變測量

鄭星　凌明祥　劉謙　嚴俠

摘要：為監(jiān)測壓電陶瓷驅(qū)動器并聯(lián)驅(qū)動時各自的動態(tài)輸出狀態(tài)，利用壓電陶瓷驅(qū)動器中位移放大機構(gòu)的菱形對稱結(jié)構(gòu)建立全橋應(yīng)變測量方法，通過位移放大機構(gòu)菱邊在振動過程中的動態(tài)應(yīng)變變化來反映壓電陶瓷驅(qū)動器的工作狀態(tài)。對不同狀態(tài)下位移放大機構(gòu)菱邊的動態(tài)應(yīng)變進行實驗研究，結(jié)果表明：利用位移放大機構(gòu)對稱菱邊建立的全橋應(yīng)變測量方法能夠有效獲取位移放大機構(gòu)在振動過程中的動態(tài)應(yīng)變變化，且能夠?qū)ξ灰品糯髾C構(gòu)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，在帶負載和不帶負載情況下，設(shè)計的位移放大機構(gòu)菱邊在振動過程中的應(yīng)變量級都在幾個微應(yīng)變，該測量結(jié)果也反映出設(shè)計的位移放大機構(gòu)剛度較好，能夠保證壓電陶瓷驅(qū)動器有較好的輸出性能。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷;位移放大機構(gòu);振動;動態(tài)應(yīng)變

中圖分類號：TH823 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0056-04

0 引言

壓電陶瓷以其優(yōu)異的力電轉(zhuǎn)換特性，已被廣泛應(yīng)用于振動控制、光學(xué)工程、微納米驅(qū)動平臺等領(lǐng)域[1-3]。而壓電陶瓷驅(qū)動器是一種由壓電陶瓷以及位移放大機構(gòu)組成的新型振動驅(qū)動平臺[4-6]。

壓電陶瓷橫向振動時，通過位移放大機構(gòu)對其輸出進行縱向放大，從而帶動整個平臺振動。因此，位移放大機構(gòu)的動態(tài)力學(xué)輸出特性直接影響著整個壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出能力[7]。目前，國內(nèi)外對位移放大機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了多方面的研究，包括鏈?zhǔn)?、菱形、V型等[8-10]。在對不同結(jié)構(gòu)的位移放大機構(gòu)進行研究時，重點在于提升位移放大機構(gòu)的位移放大比和固有頻率，大多停留在驅(qū)動器的理論研究和結(jié)構(gòu)樣機設(shè)計階段。然而，在實際的振動工程應(yīng)用中，單個壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出有限，通常是將多個驅(qū)動器并聯(lián)來實現(xiàn)平臺的大推力輸出[11-12]。實驗時，每一個驅(qū)動器的運行狀態(tài)直接決定了整個平臺的輸出穩(wěn)定性，因此有必要對每一個驅(qū)動器在振動過程中的動態(tài)輸出特性進行監(jiān)測，從而有效地控制多個驅(qū)動器的運行。但是，在實際的工程應(yīng)用當(dāng)中，壓電陶瓷位移放大機構(gòu)頂端直接與產(chǎn)品安裝夾具相連，無法通過安裝加速度傳感器和力傳感器對每一個驅(qū)動器的輸出狀態(tài)進行直接監(jiān)測。而應(yīng)變片安裝空間小，測量范圍寬，響應(yīng)頻率快，對結(jié)構(gòu)無影響，在小空間力學(xué)測量方面具有較大優(yōu)勢[13-14]。因此，擬通過測量壓電陶瓷位移放大機構(gòu)在工作時的動態(tài)應(yīng)變變化對驅(qū)動器的輸出進行監(jiān)測。為了保證驅(qū)動器的輸出，本文設(shè)計的位移放大機構(gòu)的剛度較高，其材料的彈性模量為上百吉帕，在振動過程中產(chǎn)生的應(yīng)變量很小，這就對測量電路及方法提出了較高的要求。目前，在利用應(yīng)變測量法對壓電陶瓷驅(qū)動器并聯(lián)系統(tǒng)中每個位移放大機構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測方面還鮮有研究。

本文對常用的幾種應(yīng)變測量電路進行分析，根據(jù)菱形位移放大機構(gòu)自身的特點建立了相應(yīng)的應(yīng)變測量電路，并進行了實驗研究，為壓電陶瓷驅(qū)動器并聯(lián)驅(qū)動平臺中每一個驅(qū)動器的輸出狀態(tài)監(jiān)測提供了技術(shù)基礎(chǔ)，也為控制多個壓電陶瓷驅(qū)動器的同步輸出提供參考。

1 測試方法分析

1.1 菱形壓電陶瓷驅(qū)動器工作原理

菱形壓電陶瓷驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)給予壓電陶瓷輸入電壓后，壓電陶瓷會產(chǎn)生一定的橫向位移輸出，從而帶動位移放大機構(gòu)產(chǎn)生一個縱向的位移輸出。通過控制壓電陶瓷的輸入電壓，然后通過功率放大以及后端的控制系統(tǒng)實現(xiàn)壓電陶瓷驅(qū)動器的正弦和隨機振動。

由圖1可見，當(dāng)壓電陶瓷橫向振動時，位移放大機構(gòu)的縱向伸縮會在4個菱邊上產(chǎn)生一定程度的形變，且4個菱邊的外表面和內(nèi)表面產(chǎn)生的形變大小相等方向相反，這就為利用位移放大機構(gòu)的菱邊建立應(yīng)變測量方法提供了基礎(chǔ)。

1.2 位移放大機構(gòu)動態(tài)應(yīng)變測量橋路

在應(yīng)變測量橋路中，常用的電橋測量電路為四分之一橋、三線制四分之一橋、半橋和全橋測量方式。各測量電路如圖2所示。

當(dāng)4個橋臂電阻阻值均發(fā)生變化時，R₁→R₁+ΔR₁，R₂-R₂+ΔR₂，R₃→ΔR₃+ΔR₃，R₄→R₄+ΔR₄。

此時，整個橋路的電壓輸出為

為了保證壓電陶瓷位移放大機構(gòu)的輸出性能，對位移放大機構(gòu)的剛度要求較大，本文選用材料的彈性模量為上百吉帕。但是較大的剛度就會導(dǎo)致放大機構(gòu)在實驗過程中產(chǎn)生的形變量較小，這就要求測量系統(tǒng)具有較高的精度和抗噪能力。

四分之一橋路和三線制四分之一橋路在抗噪能力和溫度補償上具有一定的局限性，半橋測量電路雖然可以補償線路和橋臂溫度引起的阻值誤差，但是對于小應(yīng)變的識別有一定困難。由式（1）和圖2（d）可知，在全橋測量電路中，若ε₁=ε₃=ε，ε₂=ε₄=-ε，整個測量系統(tǒng)的輸出電壓就會放大4倍，這對于小信號的測量具有較大的優(yōu)勢，但是對測量機構(gòu)的要求較高。

由圖1及1.1節(jié)分析可知，可以根據(jù)位移放大機構(gòu)的菱形對稱結(jié)構(gòu)建立全橋應(yīng)變測量方法。根據(jù)式（1），應(yīng)變片的粘結(jié)位置如圖3所示，圖中1、2、3、4分別為4個應(yīng)變片，電路圖如圖2（d）所示。為了防止壓電陶瓷工作時的高電壓對應(yīng)變片產(chǎn)生電磁干擾，在應(yīng)變片粘結(jié)后涂上絕緣層，然后再貼上抗電磁干擾薄膜。

壓電陶瓷工作時，橋臂感受應(yīng)變變化，其中，ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-ε。此時式（1）變?yōu)?/p>

U_i≈U⁰Kε（2）

2 試驗測試

2.1 測試系統(tǒng)組成

實驗測試系統(tǒng)由壓電陶瓷驅(qū)動器、基座、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓電陶瓷功率放大器、控制器等組成，測試系統(tǒng)示意圖見圖3。

壓電陶瓷驅(qū)動器安裝在基座上，加速度傳感器安裝在位移放大機構(gòu)頂端中心位置，控制器通過采集加速度傳感器的反饋信號對壓電陶瓷的輸出進行控制，壓電陶瓷功率放大器用于放大壓電陶瓷的輸入電壓，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對位移放大機構(gòu)的橋臂應(yīng)變進行實時監(jiān)測。為了保證測量的精度，盡量減少中間轉(zhuǎn)接和二次儀表帶來的測量誤差。測量時，直接將4個應(yīng)變片輸出線連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上組橋進行動態(tài)應(yīng)變測量。

圖3所示系統(tǒng)為單個壓電陶瓷驅(qū)動器菱形位移放大機構(gòu)的動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)示意圖，用于驗證應(yīng)變測量方法。在實際工程應(yīng)用中，將同時對并聯(lián)的多個位移放大機構(gòu)進行實時監(jiān)測，圖3中加速度傳感器安裝位置為產(chǎn)品夾具安裝螺栓位置。

2.2 測試結(jié)果及討論

實驗分別對壓電陶瓷驅(qū)動器進行不帶負載、帶5kg負載和帶10kg負載的隨機振動試驗，監(jiān)測不同狀態(tài)下壓電陶瓷驅(qū)動器位移放大機構(gòu)橋臂的動態(tài)應(yīng)變變化，測試曲線見圖4～圖6所示。

由圖可見，由于位移放大機構(gòu)材料的彈性模量較高，橋臂上的應(yīng)變輸出量在5個微應(yīng)變左右。該測量結(jié)果同樣也反映了設(shè)計的位移放大機構(gòu)剛度較好，能夠有效地保證壓電陶瓷的輸出力傳遞。

不加負載時，橋臂在試驗過程中有輕微的顫動（見圖4）;增加負載約束時，橋臂的顫動明顯降低（見圖5和圖6）。通常在試驗中，產(chǎn)品被固定在夾具上，通過夾具與壓電陶瓷位移放大機構(gòu)相連，因此，產(chǎn)品和夾具對位移放大機構(gòu)的約束能夠有效地抑制壓電陶瓷驅(qū)動器在試驗過程中的顫動，從而保證壓電陶瓷位移放大機構(gòu)的穩(wěn)定輸出。通過分析，實驗中產(chǎn)生的顫動主要由位移放大機構(gòu)自身結(jié)構(gòu)、位移放大機構(gòu)與壓電陶瓷的連接以及位移放大機構(gòu)的邊界約束3個方面引起。后續(xù)可繼續(xù)通過測量位移放大機構(gòu)橋臂動態(tài)應(yīng)變的變化，為壓電陶瓷位移放大機構(gòu)的改進設(shè)計和邊界約束設(shè)計提供指導(dǎo)。

位移放大機構(gòu)的材料為碳鋼，剛度較大，振動試驗時發(fā)生的應(yīng)變較小。由圖4～圖6可見，橋臂應(yīng)變量級為幾個微應(yīng)變。在調(diào)整試驗條件和負載的情況下，橋臂的應(yīng)變變化也不會出現(xiàn)量級的差別，測量結(jié)果也驗證了該測量方法應(yīng)用在壓電陶瓷位移放大機構(gòu)橋臂微小動態(tài)應(yīng)變測量的可行性。因此，利用位移放大機構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)特點建立的全橋應(yīng)變測量法能夠在一定程度上反映壓電陶瓷驅(qū)動器在試驗中的狀態(tài)，從而確保整個驅(qū)動平臺的穩(wěn)定運行。

3 結(jié)束語

本文利用壓電陶瓷驅(qū)動器菱形位移放大機構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)特點，建立了基于全橋測量電路的應(yīng)變測量方法，并對不帶負載和帶負載情況下位移放大機構(gòu)橋臂的應(yīng)變變化進行了實驗研究。研究結(jié)果表明，該測量方法能夠有效地監(jiān)測實驗過程中位移放大機構(gòu)橋臂微小動態(tài)應(yīng)變變化，并且響應(yīng)速度快，對驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)影響小。實驗結(jié)果證明了該方法在壓電陶瓷驅(qū)動器菱形位移放大機構(gòu)上進行動態(tài)應(yīng)變測量的可行性，測量結(jié)果可為位移放大機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計提供支撐。同時，在多個壓電陶瓷驅(qū)動器并聯(lián)驅(qū)動的實驗中，可以通過監(jiān)測放大機構(gòu)橋臂的應(yīng)變變化及時反映出各個驅(qū)動器的運行狀態(tài)，從而保證多個驅(qū)動器的穩(wěn)定輸出。在后續(xù)研究中，還可以利用該方法對系統(tǒng)中每個驅(qū)動器的輸出力進行標(biāo)定，建立橋臂應(yīng)變與輸出力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

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