高压放大器在IDE压电元件及其在仿生翼中的应用

　　实验名称：IDE压电元件及其在仿生翼中应用研究

　　研究方向：仿生学

　　测试目的：

　　优化IDE压电元件结构和组分出发，目的是为了获得大驱动位移、综合性能良好的IDE驱动件。着重研究IDE压电元件的力学和电学性能、驱动特性和在仿生翼上的集成，及其对仿生翼姿态的控制。希望能够将IDE压电元件最终应用到智能材料结构中，以加速智能材料结构的进一步实用化。

　　测试设备：工控机、ATA-7020高压放大器、激光干涉仪、测量系统、仿生翼、控制卡、电荷放大器、直流电源

　　实验过程：

　　采用测量系统、高压放大器ATA-7020和激光干涉仪等设备，进行仿生翼静态实验如下图A所示。在仿生翼表面靠近后缘，沿翼展方向依次设定5个测量点：1、2、3、4、5，其中1、2和3位于MFC元件布置的区域。

 

　　图：仿生翼静态实验

　　采用测量点的最大变形坐标绘制曲线，如上图B所示。由图可见，随加载电压变化，位于MFC布置区域的1、2和3点的曲线变化规律基本相同，离开MFC布置区域的4点的变形能力有所下降，而位于翅脉上的5点的变形能力更低，实际上，靠近翅尖的翼膜几乎不受MFC驱动的影响。因此，在外加电压的作用下，在布置MFC元件的区域，仿生翼的攻角可以得到一定的控制。

　　拍动机构电机产生的运动和力，通过减速装置和齿轮连杆结构，最后经连杆传递给仿生翼。通过连杆仿生翼可以获得拍动运动所需要的运动和力，因此为了检测MFC对仿生翼气动力的影响，采用检测拍动机构连杆轴向应力变化的方法进行。扑翼测控系统如下图所示，有一个主机和一个控制卡组成，控制卡输出信号，控制电压放大器给MFC供电，控制卡输入信号，测量拍动机构连杆受力变化。

 

　　图：扑翼测控系统

　　在工控机利用Matlab程序编写采集和控制程序，然后下载到控制卡里面。在控制卡后，一路连接功率放大器对MFC元件进行控制，一路连接电荷放大器和连杆表面的PZT片，对连杆轴向受力进行检测。拍动频率固定为3Hz，MFC元件控制电压U。曲线为：

 

　　实验结果：

　　给MFC元件施加不同的驱动电压，测得连杆表面压电片的电荷变化曲线通过第四类压电方程，求得连杆轴线受力变化曲线如下图所示。由图可见由于受到空气阻力的影响，下拍阶段，连杆的受力明显增加，此时重力不是主要因素；随MFC加载电压的增加，连杆轴向力发生相位变化，正向电压导致相位超前，负向电压导致相对滞后：另外随MFC元件加载电压的增加，连杆轴向力增大，说明仿生翼气动力增加。

 

　　图：MFC元件对连杆轴向力的影响

　　ATA-7020在本实验中的作用：提供一个可控电压源，加到压电元件，研究其力学和电学性能、驱动特性和在仿生翼上的集成，及其对仿生翼姿态的控制。

 

　　图：ATA-7020高压放大器指标参数