應用案例

　　實驗名稱：IDE壓電元件及其在仿生翼中應用研究

　　研究方向：仿生學

　　測試目的：

　　優化IDE壓電元件結構和組分出發，目的是為了獲得大驅動位移、綜合性能良好的IDE驅動件。著重研究IDE壓電元件的力學和電學性能、驅動特性和在仿生翼上的集成，及其對仿生翼姿態的控制。希望能夠將IDE壓電元件最終應用到智能材料結構中，以加速智能材料結構的進一步實用化。

　　測試設備：工控機、ATA-7020高壓放大器、激光干涉儀、測量系統、仿生翼、控制卡、電荷放大器、直流電源

　　實驗過程：

　　采用測量系統、高壓放大器ATA-7020和激光干涉儀等設備，進行仿生翼靜態實驗如下圖A所示。在仿生翼表面靠近后緣，沿翼展方向依次設定5個測量點：1、2、3、4、5，其中1、2和3位于MFC元件布置的區域。

圖：仿生翼靜態實驗

　　采用測量點的最大變形坐標繪制曲線，如上圖B所示。由圖可見，隨加載電壓變化，位于MFC布置區域的1、2和3點的曲線變化規律基本相同，離開MFC布置區域的4點的變形能力有所下降，而位于翅脈上的5點的變形能力更低，實際上，靠近翅尖的翼膜幾乎不受MFC驅動的影響。因此，在外加電壓的作用下，在布置MFC元件的區域，仿生翼的攻角可以得到一定的控制。

　　拍動機構電機產生的運動和力，通過減速裝置和齒輪連桿結構，最后經連桿傳遞給仿生翼。通過連桿仿生翼可以獲得拍動運動所需要的運動和力，因此為了檢測MFC對仿生翼氣動力的影響，采用檢測拍動機構連桿軸向應力變化的方法進行。撲翼測控系統如下圖所示，有一個主機和一個控制卡組成，控制卡輸出信號，控制電壓放大器給MFC供電，控制卡輸入信號，測量拍動機構連桿受力變化。

圖：撲翼測控系統

　　在工控機利用Matlab程序編寫采集和控制程序，然后下載到控制卡里面。在控制卡后，一路連接功率放大器對MFC元件進行控制，一路連接電荷放大器和連桿表面的PZT片，對連桿軸向受力進行檢測。拍動頻率固定為3Hz，MFC元件控制電壓U。曲線為：

　　實驗結果：

　　給MFC元件施加不同的驅動電壓，測得連桿表面壓電片的電荷變化曲線通過第四類壓電方程，求得連桿軸線受力變化曲線如下圖所示。由圖可見由于受到空氣阻力的影響，下拍階段，連桿的受力明顯增加，此時重力不是主要因素；隨MFC加載電壓的增加，連桿軸向力發生相位變化，正向電壓導致相位超前，負向電壓導致相對滯后：另外隨MFC元件加載電壓的增加，連桿軸向力增大，說明仿生翼氣動力增加。

圖：MFC元件對連桿軸向力的影響

　　ATA-7020高壓放大器在本實驗中的作用：提供一個可控電壓源，加到壓電元件，研究其力學和電學性能、驅動特性和在仿生翼上的集成，及其對仿生翼姿態的控制。

　　安泰ATA-7020高壓放大器：

圖：ATA-7020高壓放大器指標參數

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