實(shí)驗(yàn)名稱：IDE壓電元件及其在仿生翼中應(yīng)用研究

研究方向：仿生學(xué)

測(cè)試目的：

優(yōu)化IDE壓電元件結(jié)構(gòu)和組分出發(fā)，目的是為了獲得大驅(qū)動(dòng)位移、綜合性能良好的IDE驅(qū)動(dòng)件。著重研究IDE壓電元件的力學(xué)和電學(xué)性能、驅(qū)動(dòng)特性和在仿生翼上的集成，及其對(duì)仿生翼姿態(tài)的控制。希望能夠?qū)DE壓電元件最終應(yīng)用到智能材料結(jié)構(gòu)中，以加速智能材料結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步實(shí)用化。

測(cè)試設(shè)備：工控機(jī)、ATA-7020高壓放大器、激光干涉儀、測(cè)量系統(tǒng)、仿生翼、控制卡、電荷放大器、直流電源

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

采用測(cè)量系統(tǒng)、高壓放大器ATA-7020和激光干涉儀等設(shè)備，進(jìn)行仿生翼靜態(tài)實(shí)驗(yàn)如下圖A所示。在仿生翼表面靠近后緣，沿翼展方向依次設(shè)定5個(gè)測(cè)量點(diǎn)：1、2、3、4、5，其中1、2和3位于MFC元件布置的區(qū)域。

圖：仿生翼靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

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

拍動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和力，通過(guò)減速裝置和齒輪連桿結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)連桿傳遞給仿生翼。通過(guò)連桿仿生翼可以獲得拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)所需要的運(yùn)動(dòng)和力，因此為了檢測(cè)MFC對(duì)仿生翼氣動(dòng)力的影響，采用檢測(cè)拍動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿軸向應(yīng)力變化的方法進(jìn)行。撲翼測(cè)控系統(tǒng)如下圖所示，有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)控制卡組成，控制卡輸出信號(hào)，控制電壓放大器給MFC供電，控制卡輸入信號(hào)，測(cè)量拍動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿受力變化。

圖：撲翼測(cè)控系統(tǒng)

在工控機(jī)利用Matlab程序編寫(xiě)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(duì)MFC元件進(jìn)行控制，一路連接電荷放大器和連桿表面的PZT片，對(duì)連桿軸向受力進(jìn)行檢測(cè)。拍動(dòng)頻率固定為3Hz，MFC元件控制電壓U。曲線為：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

給MFC元件施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓，測(cè)得連桿表面壓電片的電荷變化曲線通過(guò)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(jiàn)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(shí)重力不是主要因素；隨MFC加載電壓的增加，連桿軸向力發(fā)生相位變化，正向電壓導(dǎo)致相位超前，負(fù)向電壓導(dǎo)致相對(duì)滯后：另外隨MFC元件加載電壓的增加，連桿軸向力增大，說(shuō)明仿生翼氣動(dòng)力增加。

圖：MFC元件對(duì)連桿軸向力的影響

ATA-7020在本實(shí)驗(yàn)中的作用：提供一個(gè)可控電壓源，加到壓電元件，研究其力學(xué)和電學(xué)性能、驅(qū)動(dòng)特性和在仿生翼上的集成，及其對(duì)仿生翼姿態(tài)的控制。

安泰ATA-7020高壓放大器：

圖：ATA-7020高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯：湯梓紅