實驗名稱：基于螺旋電極扭轉驅動器的沖擊式旋轉壓電馬達性能測試

測試目的：為了測量壓電馬達的一些力學特性，我們設計了實驗測量裝置和實驗機構，主要對壓電馬達的轉速與電壓的關系、轉速與頻率的關系進行了測量，并對壓電馬達的一些力學特性進行了測量。

測試設備：高壓放大器、數字示波器、信號發生器、激光多普勒測振儀、激光測微儀等。

實驗過程：

圖1：壓電馬達轉速測量裝置

壓電馬達的轉速測量裝置如圖1所示，其中數字合成信號發生器產生鋸齒波驅動信號，數字合成信號發生器可以根據需要輸出符合頻率要求、-10V~10V幅度可調、從三角波到鋸齒波的信號波形，該信號發生器可以方便的設置輸出信號。通過高壓放大器將鋸齒波信號放大，該放大器可以滿足壓電陶瓷纖維扭轉驅動器的驅動要求，經過放大器的鋸齒波信號就可以用來驅動壓電陶瓷纖維扭轉驅動器了。

壓電馬達的步進特性是通過多普勒激光測振儀，該測振儀由光學檢測部、觀察部、試料臺、速度信號處理部、穩頻激光器五部分組成，可以測量Z軸和X軸的目標物體的運動速度。在測量壓電馬達步進特性是使用的是X軸測量，如圖1所示，激光頭垂直照射在負載光軸上，并使光點聚焦在光軸表面，當負載光軸被壓電馬達帶動旋轉是，可以認為一個平面在X軸方向移動，這樣就可以采集數據，經過速度信號處理部輸入到計算機，就可以得到壓電馬達步進特性的數據。X軸測量時的分辨率分兩檔：4nm和40nm，最大測定速度分別為40mm/Sec和400mm/Sec，在測量時選擇4nm分辨率。因為激光多普勒測振儀在測量橫向速度時需要被測量物體的表面有一定的光潔度，因此測量前要對測量負載光軸進行拋光；實際測量時，激光多普勒測振儀探測到的是物體表面漫反射光，因此被測量表面也不能太光滑，否則得不到信號。測量時壓電馬達放在微動平臺上，結合調整激光多普勒測振儀的激光頭，使激光垂直地照射在負載光軸的表面，調整儀器各項參數，就可以對壓電馬達的步進特性進行測量了。將測量的信號用計算機采集并對數據進行存儲和處理，就可以得到壓電馬達的相關步進特性的曲線。

實驗結果：

（A）調頻步進特性

圖2：調頻步進特性曲線

圖2為在Vpp=600V時不同驅動頻率下激光多普勒測振儀測得的一組壓電馬達扭轉角特性曲線，反映了壓電馬達的調頻步進特性。測量頻率點分別為f=1Hz、f=10Hz、f=100Hz、f=1kHz。將每個步進分成前進和回撤兩個過程，前進角減去回撤角就是步進角。測量結果發現，在不同頻率下步進角是一樣的，每個步進大約0.063°。

（B）調幅特性

圖3：調幅步進特性曲線

圖3為在f=30Hz時不同驅動電壓下激光多普勒測振儀測得的一組壓電馬達扭轉角特性的曲線，反映了壓電馬達的調幅步進特性。測量點有Vpp＝400V、Vpp＝600V、Vpp＝800V、Vpp＝1kV。圖中可以清楚地看到，當驅動電壓越高時馬達的步進角越大。馬達在完成8次步進之后旋轉過的角度分別為0.317°、0.913°、1.689°、2.231°，驅動電壓幅度差值與旋轉角差值有線性關系，比例因子為4×10-4°/V。在測量過程中還發現，當驅動電壓峰-峰值小于360V的條件下壓電馬達不能正常工作。克服軸承的阻力可能是導致壓電馬達不能工作的主要原因。

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審核編輯 黃宇