壓電陶瓷是一類(lèi)神奇的智能材料——在外加電場(chǎng)作用下，其內(nèi)部的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，從而產(chǎn)生精確可控的機(jī)械形變。這一特性使其成為微納定位、超聲換能、精密驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的理想執(zhí)行器。

然而，壓電陶瓷面臨著天然的“能量困境”：要產(chǎn)生足夠的形變和輸出力，通常需要數(shù)十至上百伏的驅(qū)動(dòng)電壓；要實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，必須在極短時(shí)間內(nèi)提供足夠的瞬態(tài)電流對(duì)容性負(fù)載進(jìn)行充放電。普通信號(hào)發(fā)生器輸出的幾伏電壓、毫瓦級(jí)功率，遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)這片“電力肌肉”施展拳腳。

案例縱覽：功率放大器驅(qū)動(dòng)的四大壓電應(yīng)用前沿

圖：高溫壓電陶瓷在多場(chǎng)耦合下的振速測(cè)試

1.壓電雙晶片動(dòng)力學(xué)研究：探尋振動(dòng)的“極限邊界”

壓電雙晶片由兩片壓電陶瓷粘合在金屬基片兩側(cè)構(gòu)成，是微型無(wú)人機(jī)、精密定位平臺(tái)的核心執(zhí)行元件。其動(dòng)力學(xué)研究旨在分析振動(dòng)模態(tài)、幅頻特性及遲滯非線(xiàn)性等動(dòng)態(tài)行為。

在軸向預(yù)壓縮壓電雙晶片動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試中，研究人員通過(guò)功率放大器施加0-100V驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)改變軸向預(yù)緊力，用激光位移傳感器測(cè)量梁的最大撓度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大軸向預(yù)緊力能顯著提高雙晶片的位移輸出能力；在大軸向力下，雙晶片仍保持高帶寬與毫秒級(jí)快速響應(yīng)優(yōu)勢(shì)。

在多片壓電雙晶片并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器的性能測(cè)試中，研究人員利用功率放大器和頻譜分析儀測(cè)試了并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器在空載和帶載下的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果表明，并聯(lián)設(shè)計(jì)既能實(shí)現(xiàn)位移放大，又能通過(guò)并聯(lián)補(bǔ)償輸出力，為微型無(wú)人機(jī)自適應(yīng)控制提供了新型驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)思路。

2.合成射流壓電氣泵：微型流體的“無(wú)聲心臟”

圖：合成射流壓電氣泵的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

在合成射流壓電氣泵的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率和波形的電壓信號(hào)，經(jīng)ATA-3040功率放大器放大后施加于壓電振子。壓電材料的形變導(dǎo)致泵腔內(nèi)壓力產(chǎn)生周期性變化，在負(fù)壓階段吸入氣體，正壓階段排出氣體，形成連續(xù)射流。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制改變激勵(lì)信號(hào)的波形、頻率和電壓幅值，獲得了波形與流量、頻率與流量、電壓幅值與流量的關(guān)系曲線(xiàn)。這類(lèi)壓電泵可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、燃料供應(yīng)、液冷化學(xué)、電子產(chǎn)品散熱等領(lǐng)域。

3.壓電疊堆微位移控制：納米級(jí)精度的“執(zhí)行之手”

圖：基于壓電疊堆的微位移的閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)

在基于壓電疊堆的微位移閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用功率放大器放大數(shù)據(jù)采集卡的小信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓電疊堆。由于壓電材料固有的遲滯非線(xiàn)性，開(kāi)環(huán)控制難以達(dá)到理想精度。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了位移放大機(jī)構(gòu)，并采用電感式位移傳感器測(cè)量位移量，將信號(hào)傳回?cái)?shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。最終實(shí)驗(yàn)成功完成了壓電疊堆微位移移動(dòng)的遲滯非線(xiàn)性補(bǔ)償，方案具有高跟蹤與定位精度、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

圖：ATA-300/3000系列功率放大器指標(biāo)參數(shù)

從微型無(wú)人機(jī)的自適應(yīng)機(jī)翼，到納米壓印光刻的精密定位；從生物醫(yī)藥的微型泵，到超聲醫(yī)療的高清成像——每一次壓電陶瓷的精準(zhǔn)形變與振動(dòng)，都始于功率放大器那一次磅礴而精密的能量注入。它讓微米級(jí)的位移得以精確控制，讓兆赫茲級(jí)的振動(dòng)得以穩(wěn)定輸出，為現(xiàn)代精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)注入了源源不斷的“能量之心”。

審核編輯 黃宇