實驗名稱：壓電驅動器輸出力遲滯效應研究

研究方向：壓電陶瓷驅動器能提供微米級的行程，有高速響應、體積小、高工作帶寬的優點，因此壓電陶瓷驅動器廣泛應用在高精度系統的部件當中。由于壓電陶瓷驅動器遲滯現象的影響，且遲滯現象隨輸入電壓的頻率增大而更加明顯，當工作頻率在較大范圍變化時，遲滯現象會嚴重影響控制精度。

壓電陶瓷驅動器由于極化過程的影響，其遲滯非線性是材料本身的固有特性，這種非線性會造成控制系統穩定性的下降，難以確定合適的控制參數，嚴重時會造成控制系統不穩定的嚴重后果。對于壓電陶瓷的遲滯特性非線性建模及控制方法的研究，一般需要對遲滯現象建立精確模型。由于遲滯現象的復雜性和多樣性，遲滯現象的建模及控制是一項極其困難的工作，國內外學術界暫時還沒有一統的遲滯模型。研究者們基本從兩個方面對遲滯現象進行建模研究，一是基于物理原理出發，通過應力、應變、磁感應強度、電場強度等物理量推導壓電材料輸入電壓與輸出位移之間的關系，如Jiles-Atherton模型。基于物理原理來建立遲滯模型難度高，且不同的壓電材料表現出的遲滯現象也各不相同，基于物理原理推導出的遲滯模型只適用于一種遲滯材料，缺乏一般性；第二種方法是基于遲滯現象建立遲滯模型，基于現象的模型不關心遲滯現象出現的物理原理，只針對遲滯現象進行數學建模，應用范圍更加廣泛。

實驗目的：分析壓電驅動器的輸出力特性

測試設備：壓電驅動器、ATA-308功率放大器、電荷放大器、數據采集卡、上位機

實驗過程：實驗過程如圖1-1所示，首先利用上位機控制數據采集卡給出激勵信號，經過ATA-308功率放大器后信號施加給壓電陶瓷，壓電力傳感器采集壓電驅動器輸出力產生電荷信號，電荷信號經過電荷放大器中的積分電路和調理電路最終轉換為電壓信號，此時同步采集輸入電壓信號和輸出力信號用于分析壓電驅動器的輸出力特性。

圖1-1實驗原理框圖

實驗結果：壓電驅動器在非線性特征由遲滯現象，蠕變現象和振動組合成，其中遲滯現象占據主導作用。遲滯現象在壓電驅動器中不僅表現在輸入電壓與輸出位移上，在輸入電壓與輸出力也表現出遲滯現象。輸出力大小不僅與輸入電壓的當前值有關，而且與輸入電壓之前的極值有關，這種行為相當于壓電驅動器記錄了之前的歷史極值，因此這種現象稱為遲滯現象的記憶特性。

在實驗平臺同步采集壓電陶瓷驅動器的輸入電壓和輸出力信號，如圖1-2a)所示，而輸入電壓與輸出力的關系如圖1-2b)所示。當輸入電壓為衰減正弦波時，在電壓-輸出力曲線圖中表現為多個大小不一的遲滯環。該實驗中電壓-輸出力曲線，說明輸出力的值與當前是處于電壓上升階段還是電壓下降階段有關，同時與壓電驅動器之前輸入電壓的極值相關。該實驗驗證壓電驅動器在電壓-輸出力關系表現出了和在電壓-位移關系同樣的遲滯現象，它是一種多值映射關系，且遲滯現象具有記憶特性。遲滯現象具有記憶特性的同時，還表現出了擦除特性(Wiping-out)與一致特性(Congruency)。

圖1-2遲滯現象的記憶特性

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圖：ATA-308C功率放大器指標參數

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審核編輯 黃宇