實驗名稱：功率放大器基于二維橢圓超聲振子的制作和振動特性測試應用

實(shi)驗目的(de)：檢(jian)測(ce)并(bing)驗證所(suo)制作的(de)壓電陶瓷振(zhen)子的(de)實(shi)際諧振(zhen)頻率是否(fou)和設計相同

實驗內(nei)容：

通(tong)過(guo)在一大塊壓(ya)電陶(tao)瓷上分割(ge)電極(ji)，實(shi)際(ji)上起(qi)到(dao)四片壓(ya)電陶(tao)瓷并列排放的效果，電極(ji)的材料為Ag，功率放大器驅動壓電陶瓷通過鍍膜的方法鍍在壓電陶瓷表面，壓電陶瓷和304不銹鋼基體通過環氧樹脂膠粘接，實現振動的傳遞。

實驗過程：

諧振特性分析所用的電路圖如圖所示，頻率特性分析儀提供掃頻的輸出信號，并可以測量壓電陶瓷振子兩端的電壓和通過壓電陶瓷振子的電流，功率放大器（ATA-4052)將輸入信號放(fang)大后加到(dao)振(zhen)(zhen)子(zi)電(dian)路中(zhong)，壓電(dian)陶(tao)瓷振(zhen)(zhen)子(zi)串聯一歐姆標(biao)準(zhun)電(dian)阻。掃頻范圍為20k—30kHz。其中(zhong)當(dang)只有間隔的兩個(ge)電(dian)極(ji)(ji)通電(dian)時，振(zhen)(zhen)子(zi)的B4模態被(bei)激勵，當(dang)四個(ge)電(dian)極(ji)(ji)同(tong)時通電(dian)時，振(zhen)(zhen)子(zi)的L1模態被(bei)激勵。

橢圓超(chao)聲(sheng)振(zhen)(zhen)子諧振(zhen)(zhen)特性分析電路圖

實(shi)驗結果(guo)：

從圖中可以看出，振子B4模(mo)態(tai)(tai)的(de)(de)(de)諧(xie)振(zhen)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)24.10kHz，反諧(xie)振(zhen)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)24.22kHz，L1模(mo)態(tai)(tai)的(de)(de)(de)諧(xie)振(zhen)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)24.01kHz，反諧(xie)振(zhen)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)24.24kHz。兩種振(zhen)動模(mo)式的(de)(de)(de)諧(xie)振(zhen)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)之間的(de)(de)(de)差異(yi)約(yue)為(wei)0.09kHz，在使用該超聲(sheng)振(zhen)子(zi)時(shi)這種程度的(de)(de)(de)誤差在允(yun)許范(fan)圍(wei)內(nei)。此外，由于兩個振(zhen)蕩模(mo)式之間的(de)(de)(de)共振(zhen)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)差較小，因此對于縱向和彎曲振(zhen)動都(dou)可以在同(tong)一頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)下獲得最大(da)振(zhen)幅，此時(shi)合成的(de)(de)(de)橢圓(yuan)振(zhen)動的(de)(de)(de)振(zhen)幅將是最大(da)的(de)(de)(de)。

       另(ling)一方面，兩種振(zhen)(zhen)動模式中的反共振(zhen)(zhen)點之(zhi)間的差異(yi)約為0.02kHz，差異很小(xiao)(xiao)(xiao)。因(yin)為當(dang)(dang)超聲(sheng)振(zhen)子(zi)在(zai)共振(zhen)點被激勵(li)時，雖然阻抗(kang)很小(xiao)(xiao)(xiao)并(bing)且(qie)振(zhen)幅最(zui)大(da)。但是，如果使用接(jie)近共振(zhen)點的(de)(de)(de)頻率(lv)，對壓(ya)電陶瓷會施加(jia)比較大(da)的(de)(de)(de)負荷(he)，這可能導致壓(ya)電陶瓷材料的(de)(de)(de)破裂或破裂。而當(dang)(dang)在(zai)反(fan)共振(zhen)點處激勵(li)時，阻抗(kang)增加(jia)并(bing)且(qie)功耗(hao)最(zui)小(xiao)(xiao)(xiao)化。因(yin)此，激勵(li)信號的(de)(de)(de)頻率(lv)通常位于反(fan)共振(zhen)點，0.02kHz的(de)(de)(de)差異符合要求(qiu)。因(yin)此可知，圖所(suo)示的(de)(de)(de)振(zhen)子(zi)在(zai)24.22kHz的(de)(de)(de)頻率(lv)下(xia)激勵(li)時會產最(zui)優的(de)(de)(de)超聲(sheng)橢(tuo)圓軌跡。

L1模(mo)態(tai)的阻抗特(te)性(xing)曲線

B4模態的阻抗特性(xing)曲線

兩(liang)種振動模式中的反共(gong)振點之間的差異約為0.02kHz，差異(yi)很小。因(yin)為當(dang)超聲(sheng)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)子(zi)在共(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)點被激(ji)(ji)勵(li)時(shi)，雖(sui)然阻(zu)抗(kang)很小并且(qie)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)幅最(zui)大。但是，如(ru)果使用接近共(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)點的(de)頻率，對壓電陶(tao)瓷會(hui)施加(jia)比較大的(de)負荷，這可(ke)能(neng)導致壓電陶(tao)瓷材料的(de)破裂或破裂。而當(dang)在反(fan)共(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)點處激(ji)(ji)勵(li)時(shi)，阻(zu)抗(kang)增加(jia)并且(qie)功耗最(zui)小化(hua)。因(yin)此，激(ji)(ji)勵(li)信(xin)號(hao)的(de)頻率通常位于反(fan)共(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)點，0.02kHz的(de)差異(yi)符合(he)要求(qiu)。因(yin)此可(ke)知，如(ru)圖所示的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)子(zi)在24.22kHz的(de)頻率下激(ji)(ji)勵(li)時(shi)會(hui)產最(zui)優的(de)超聲(sheng)橢圓軌跡。

L1模態和B4模態的阻抗特(te)性對比

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