功率放大器在先进硬脆材料的椭圆超声辅助固结磨粒化学机械抛光研究中的应用

发布：2021-06-17

实验名称：功率放大器基于二维椭圆超声振子的制作和振动特性测试应用

实验目的：检测并验证所制作的压电陶瓷振子的实际谐振频率是否和设计相同

实验内容：

通过在一大块压电陶瓷上分割电极，实际上起到四片压电陶瓷并列排放的效果，电极的材料为Ag，通过镀膜的方法镀在压电陶瓷表面，压电陶瓷和304不锈钢基体通过环氧树脂胶粘接，实现振动的传递。

实验过程：

谐振特性分析所用的电路图如图所示，频率特性分析仪提供扫频的输出信号，并可以测量压电陶瓷振子两端的电压和通过压电陶瓷振子的电流，功率放大器（ATA-4052)将输入信号放大后加到振子电路中，压电陶瓷振子串联一欧姆标准电阻。扫频范围为20k—30kHz。其中当只有间隔的两个电极通电时，振子的B4模态被激励，当四个电极同时通电时，振子的L1模态被激励。

椭圆超声振子谐振特性分析电路图

实验结果：

从图中可以看出，振子B4模态的谐振频率为24.10kHz，反谐振频率为24.22kHz，L1模态的谐振频率为24.01kHz，反谐振频率为24.24kHz。两种振动模式的谐振频率之间的差异约为0.09kHz，在使用该超声振子时这种程度的误差在允许范围内。此外，由于两个振荡模式之间的共振频率差较小，因此对于纵向和弯曲振动都可以在同一频率下获得最大振幅，此时合成的椭圆振动的振幅将是最大的。

      另一方面，两种振动模式中的反共振点之间的差异约为0.02kHz，差异很小。因为当超声振子在共振点被激励时，虽然阻抗很小并且振幅最大。但是，如果使用接近共振点的频率，对压电陶瓷会施加比较大的负荷，这可能导致压电陶瓷材料的破裂或破裂。而当在反共振点处激励时，阻抗增加并且功耗最小化。因此，激励信号的频率通常位于反共振点，0.02kHz的差异符合要求。因此可知，图所示的振子在24.22kHz的频率下激励时会产最优的超声椭圆轨迹。

L1模态的阻抗特性曲线

B4模态的阻抗特性曲线

两种振动模式中的反共振点之间的差异约为0.02kHz，差异很小。因为当超声振子在共振点被激励时，虽然阻抗很小并且振幅最大。但是，如果使用接近共振点的频率，对压电陶瓷会施加比较大的负荷，这可能导致压电陶瓷材料的破裂或破裂。而当在反共振点处激励时，阻抗增加并且功耗最小化。因此，激励信号的频率通常位于反共振点，0.02kHz的差异符合要求。因此可知，如图所示的振子在24.22kHz的频率下激励时会产最优的超声椭圆轨迹。（aigtek.com）

L1模态和B4模态的阻抗特性对比