壓電陶瓷驅動器菱形位移放大機構的動態應變測量

鄭星　凌明祥　劉謙　嚴俠

摘要：為監測壓電陶瓷驅動器并聯驅動時各自的動態輸出狀態，利用壓電陶瓷驅動器中位移放大機構的菱形對稱結構建立全橋應變測量方法，通過位移放大機構菱邊在振動過程中的動態應變變化來反映壓電陶瓷驅動器的工作狀態。對不同狀態下位移放大機構菱邊的動態應變進行實驗研究，結果表明：利用位移放大機構對稱菱邊建立的全橋應變測量方法能夠有效獲取位移放大機構在振動過程中的動態應變變化，且能夠對位移放大機構的運行狀態進行實時監測，在帶負載和不帶負載情況下，設計的位移放大機構菱邊在振動過程中的應變量級都在幾個微應變，該測量結果也反映出設計的位移放大機構剛度較好，能夠保證壓電陶瓷驅動器有較好的輸出性能。

關鍵詞：壓電陶瓷;位移放大機構;振動;動態應變

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

0 引言

壓電陶瓷以其優異的力電轉換特性，已被廣泛應用于振動控制、光學工程、微納米驅動平臺等領域[1-3]。而壓電陶瓷驅動器是一種由壓電陶瓷以及位移放大機構組成的新型振動驅動平臺[4-6]。

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

本文對常用的幾種應變測量電路進行分析，根據菱形位移放大機構自身的特點建立了相應的應變測量電路，并進行了實驗研究，為壓電陶瓷驅動器并聯驅動平臺中每一個驅動器的輸出狀態監測提供了技術基礎，也為控制多個壓電陶瓷驅動器的同步輸出提供參考。

1 測試方法分析

1.1 菱形壓電陶瓷驅動器工作原理

菱形壓電陶瓷驅動器的結構如圖1所示。當給予壓電陶瓷輸入電壓后，壓電陶瓷會產生一定的橫向位移輸出，從而帶動位移放大機構產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實現壓電陶瓷驅動器的正弦和隨機振動。

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

1.2 位移放大機構動態應變測量橋路

在應變測量橋路中，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4個橋臂電阻阻值均發生變化時，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的輸出性能，對位移放大機構的剛度要求較大，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致放大機構在實驗過程中產生的形變量較小，這就要求測量系統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勢，但是對測量機構的要求較高。

由圖1及1.1節分析可知，可以根據位移放大機構的菱形對稱結構建立全橋應變測量方法。根據式（1），應變片的粘結位置如圖3所示，圖中1、2、3、4分別為4個應變片，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變片產生電磁干擾，在應變片粘結后涂上絕緣層，然后再貼上抗電磁干擾薄膜。

壓電陶瓷工作時，橋臂感受應變變化，其中，ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-ε。此時式（1）變為

U_i≈U⁰Kε（2）

2 試驗測試

2.1 測試系統組成

實驗測試系統由壓電陶瓷驅動器、基座、數據采集系統、壓電陶瓷功率放大器、控制器等組成，測試系統示意圖見圖3。

壓電陶瓷驅動器安裝在基座上，加速度傳感器安裝在位移放大機構頂端中心位置，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，通過數據采集系統對位移放大機構的橋臂應變進行實時監測。為了保證測量的精度，盡量減少中間轉接和二次儀表帶來的測量誤差。測量時，直接將4個應變片輸出線連接數據采集系統，在數據采集系統上組橋進行動態應變測量。

圖3所示系統為單個壓電陶瓷驅動器菱形位移放大機構的動態應變測量系統示意圖，用于驗證應變測量方法。在實際工程應用中，將同時對并聯的多個位移放大機構進行實時監測，圖3中加速度傳感器安裝位置為產品夾具安裝螺栓位置。

2.2 測試結果及討論

實驗分別對壓電陶瓷驅動器進行不帶負載、帶5kg負載和帶10kg負載的隨機振動試驗，監測不同狀態下壓電陶瓷驅動器位移放大機構橋臂的動態應變變化，測試曲線見圖4～圖6所示。

由圖可見，由于位移放大機構材料的彈性模量較高，橋臂上的應變輸出量在5個微應變左右。該測量結果同樣也反映了設計的位移放大機構剛度較好，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，產品被固定在夾具上，通過夾具與壓電陶瓷位移放大機構相連，因此，產品和夾具對位移放大機構的約束能夠有效地抑制壓電陶瓷驅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的穩定輸出。通過分析，實驗中產生的顫動主要由位移放大機構自身結構、位移放大機構與壓電陶瓷的連接以及位移放大機構的邊界約束3個方面引起。后續可繼續通過測量位移放大機構橋臂動態應變的變化，為壓電陶瓷位移放大機構的改進設計和邊界約束設計提供指導。

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

3 結束語

本文利用壓電陶瓷驅動器菱形位移放大機構自身的結構特點，建立了基于全橋測量電路的應變測量方法，并對不帶負載和帶負載情況下位移放大機構橋臂的應變變化進行了實驗研究。研究結果表明，該測量方法能夠有效地監測實驗過程中位移放大機構橋臂微小動態應變變化，并且響應速度快，對驅動器的結構影響小。實驗結果證明了該方法在壓電陶瓷驅動器菱形位移放大機構上進行動態應變測量的可行性，測量結果可為位移放大機構的結構改進設計提供支撐。同時，在多個壓電陶瓷驅動器并聯驅動的實驗中，可以通過監測放大機構橋臂的應變變化及時反映出各個驅動器的運行狀態，從而保證多個驅動器的穩定輸出。在后續研究中，還可以利用該方法對系統中每個驅動器的輸出力進行標定，建立橋臂應變與輸出力之間的數學關系。

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