壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器菱形位移放大機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量

鄭星　凌明祥　劉謙　嚴(yán)俠

摘要：為監(jiān)測壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)各自的動(dòng)態(tài)輸出狀態(tài)，利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器中位移放大機(jī)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(jī)構(gòu)菱邊在振動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化來反映壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)。對不同狀態(tài)下位移放大機(jī)構(gòu)菱邊的動(dòng)態(tài)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：利用位移放大機(jī)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(jī)構(gòu)在振動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化，且能夠?qū)ξ灰品糯髾C(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，在帶負(fù)載和不帶負(fù)載情況下，設(shè)計(jì)的位移放大機(jī)構(gòu)菱邊在振動(dòng)過程中的應(yīng)變量級都在幾個(gè)微應(yīng)變，該測量結(jié)果也反映出設(shè)計(jì)的位移放大機(jī)構(gòu)剛度較好，能夠保證壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器有較好的輸出性能。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷;位移放大機(jī)構(gòu);振動(dòng);動(dòng)態(tài)應(yīng)變

中圖分類號：TH823 文獻(xiàn)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(dòng)控制、光學(xué)工程、微納米驅(qū)動(dòng)平臺等領(lǐng)域[1-3]。而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器是一種由壓電陶瓷以及位移放大機(jī)構(gòu)組成的新型振動(dòng)驅(qū)動(dòng)平臺[4-6]。

壓電陶瓷橫向振動(dòng)時(shí)，通過位移放大機(jī)構(gòu)對其輸出進(jìn)行縱向放大，從而帶動(dòng)整個(gè)平臺振動(dòng)。因此，位移放大機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)輸出特性直接影響著整個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出能力[7]。目前，國內(nèi)外對位移放大機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了多方面的研究，包括鏈?zhǔn)健⒘庑巍型等[8-10]。在對不同結(jié)構(gòu)的位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，重點(diǎn)在于提升位移放大機(jī)構(gòu)的位移放大比和固有頻率，大多停留在驅(qū)動(dòng)器的理論研究和結(jié)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)階段。然而，在實(shí)際的振動(dòng)工程應(yīng)用中，單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出有限，通常是將多個(gè)驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)平臺的大推力輸出[11-12]。實(shí)驗(yàn)時(shí)，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)直接決定了整個(gè)平臺的輸出穩(wěn)定性，因此有必要對每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器在振動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)輸出特性進(jìn)行監(jiān)測，從而有效地控制多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行。但是，在實(shí)際的工程應(yīng)用當(dāng)中，壓電陶瓷位移放大機(jī)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(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)進(jìn)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(jī)構(gòu)在工作時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化對驅(qū)動(dòng)器的輸出進(jìn)行監(jiān)測。為了保證驅(qū)動(dòng)器的輸出，本文設(shè)計(jì)的位移放大機(jī)構(gòu)的剛度較高，其材料的彈性模量為上百吉帕，在振動(dòng)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(dòng)器并聯(lián)系統(tǒng)中每個(gè)位移放大機(jī)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(jìn)行分析，根據(jù)菱形位移放大機(jī)構(gòu)自身的特點(diǎn)建立了相應(yīng)的應(yīng)變測量電路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)平臺中每一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(dòng)器工作原理

菱形壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(dòng)位移放大機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)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(shí)現(xiàn)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的正弦和隨機(jī)振動(dòng)。

由圖1可見，當(dāng)壓電陶瓷橫向振動(dòng)時(shí)，位移放大機(jī)構(gòu)的縱向伸縮會在4個(gè)菱邊上產(chǎn)生一定程度的形變，且4個(gè)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(jī)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(jī)構(gòu)動(dòng)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(gè)橋臂電阻阻值均發(fā)生變化時(shí)，R₁→R₁+ΔR₁，R₂-R₂+ΔR₂，R₃→ΔR₃+ΔR₃，R₄→R₄+ΔR₄。

此時(shí)，整個(gè)橋路的電壓輸出為

為了保證壓電陶瓷位移放大機(jī)構(gòu)的輸出性能，對位移放大機(jī)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(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償上具有一定的局限性，半橋測量電路雖然可以補(bǔ)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(gè)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(jī)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(jī)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(gè)應(yīng)變片，電路圖如圖2（d）所示。為了防止壓電陶瓷工作時(shí)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(shí)，橋臂感受應(yīng)變變化，其中，ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-ε。此時(shí)式（1）變?yōu)?/p>

U_i≈U⁰Kε（2）

2 試驗(yàn)測試

2.1 測試系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(dòng)器安裝在基座上，加速度傳感器安裝在位移放大機(jī)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(jìn)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(jī)構(gòu)的橋臂應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)，直接將4個(gè)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(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量。

圖3所示系統(tǒng)為單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器菱形位移放大機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)示意圖，用于驗(yàn)證應(yīng)變測量方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中，將同時(shí)對并聯(lián)的多個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)分別對壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行不帶負(fù)載、帶5kg負(fù)載和帶10kg負(fù)載的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，監(jiān)測不同狀態(tài)下壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器位移放大機(jī)構(gòu)橋臂的動(dòng)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(jī)構(gòu)材料的彈性模量較高，橋臂上的應(yīng)變輸出量在5個(gè)微應(yīng)變左右。該測量結(jié)果同樣也反映了設(shè)計(jì)的位移放大機(jī)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(fù)載時(shí)，橋臂在試驗(yàn)過程中有輕微的顫動(dòng)（見圖4）;增加負(fù)載約束時(shí)，橋臂的顫動(dòng)明顯降低（見圖5和圖6）。通常在試驗(yàn)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(jī)構(gòu)相連，因此，產(chǎn)品和夾具對位移放大機(jī)構(gòu)的約束能夠有效地抑制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在試驗(yàn)過程中的顫動(dòng)，從而保證壓電陶瓷位移放大機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定輸出。通過分析，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的顫動(dòng)主要由位移放大機(jī)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)、位移放大機(jī)構(gòu)與壓電陶瓷的連接以及位移放大機(jī)構(gòu)的邊界約束3個(gè)方面引起。后續(xù)可繼續(xù)通過測量位移放大機(jī)構(gòu)橋臂動(dòng)態(tài)應(yīng)變的變化，為壓電陶瓷位移放大機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和邊界約束設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

位移放大機(jī)構(gòu)的材料為碳鋼，剛度較大，振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)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(gè)微應(yīng)變。在調(diào)整試驗(yàn)條件和負(fù)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(yàn)證了該測量方法應(yīng)用在壓電陶瓷位移放大機(jī)構(gòu)橋臂微小動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量的可行性。因此，利用位移放大機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dòng)器在試驗(yàn)中的狀態(tài)，從而確保整個(gè)驅(qū)動(dòng)平臺的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)束語

本文利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器菱形位移放大機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了基于全橋測量電路的應(yīng)變測量方法，并對不帶負(fù)載和帶負(fù)載情況下位移放大機(jī)構(gòu)橋臂的應(yīng)變變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，該測量方法能夠有效地監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中位移放大機(jī)構(gòu)橋臂微小動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化，并且響應(yīng)速度快，對驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)影響小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器菱形位移放大機(jī)構(gòu)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量的可行性，測量結(jié)果可為位移放大機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供支撐。同時(shí)，在多個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，可以通過監(jiān)測放大機(jī)構(gòu)橋臂的應(yīng)變變化及時(shí)反映出各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)，從而保證多個(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出力進(jìn)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。

參考文獻(xiàn)

[1]ADRIEN B，RONAN L B，F(xiàn)ABIEN F，et al.Precisepositioning and active vibration isolation using piezoelectricactuator with hysteresis compensation[J].Journal ofIntelligent Material Systems and Structures，2014，25（2）：155-168.

[2]LEE H J，KIM H C，KIM H Y，et al.Optimal design andexperiment of a three-axis out of plane nano positioning stageusing a new compact bridge-type displacement amplifier[J].Review of Scientific Instruments，2013，84（11）：4-10.

[3]廖勝凱，徐愛群，吳禮瓊，等.耦合PZT/GMM微動(dòng)力構(gòu)件及其輸出力影響因素測試[J].中國測試，2017，43（10）：139-144.

[4]LING M X，CAO J Y，ZENG M H，et al.Enhancemathematical model of the displacement amplification ratio forpiezoelectric compliant mechanisms[J].Smart Materials andStructures，2016，25（7）：075022.

[5]黃衛(wèi)清，劉雪瑞，王寅，等.菱形壓電微位移作動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2016，24（10）：527-534.

[6]劉敏，張憲民.基于類v型柔性鉸鏈的微位移放大機(jī)構(gòu)[J].光學(xué)精密工程，2017，25（4）：467-476.

[7]CHEN J L，ZHANG C L，XU M L，et al.Rhombic micro-displacement amplifier for piezoelectric actuator and its linearand hybrid model[J].Mechanical Systems and SignalProcessing，2015，50-51：580-593.

[8]MIKIO M，SHIN S.Displacement amplifier for piezoelectricactuator based on honeycomb link mechanism[J].Sensors andActuators A：physical，2010，157（1）：84-90.

[9]盧倩，黃衛(wèi)清，孫夢馨.基于柔度化優(yōu)化設(shè)計(jì)杠桿式柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)[J].光學(xué)精密工程，2016，24（1）：102-111.

[10]王濤，王曉東.高g值加速度環(huán)境微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（16）：88-95.

[11]殷亞東，楊慧玉，張大治，等.基于壓電陶瓷的大振幅振動(dòng)臺研究[J].計(jì)測技術(shù)，2016，36（1）：34-37.

[12]李海林，王寅，黃衛(wèi)清，等一種雙足驅(qū)動(dòng)壓電直線電機(jī)[J].中國機(jī)械工程，2014，25（20）：2719-2723.

[13]沈觀林.應(yīng)變電測與傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用[J].中國測試，2011，37（2）：87-91.

[14]王彪，謝愷澤，肖杰靈，等.應(yīng)用電阻應(yīng)變計(jì)的無縫線路縱向力測試原理及方案[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（1）：43-49.