电压放大器在超声微机器人及管道研究实验中的应用

实验名称：超声微机器人的制备、振动特性表征、运动性能测试及在复杂管道环境中的实验研究

实验目的：探究超声驱动频率、电压及管道尺寸等关键参数对微机器人运动性能的影响，通过MEMS基压电薄膜与频率调制技术，验证其高速、低压、强爬坡与高负载能力，以支撑复杂管道的高效实时检测需求。

测试设备：函数波形发生器、电压放大器、电极引线及管道固定装置、集成光学高速相机、激光多普勒测振仪、红外热像仪及精密位移平台、扫描电子显微镜、阻抗分析仪以及有限元仿真平台

实验过程：以超声微机器人为研究对象，通过MEMS基超薄压电复合薄膜结构与超声频率调制技术，实现狭窄管道内超快双向运动验证。首先完成机器人制备与结构表征，利用SEM和阻抗测试确认共振频率及振动模式；随后结合有限元分析与激光测振，以函数发生器和放大器驱动系统，在21mm管道中达到81cm/s峰值速度，并通过频率调制实现双向控制。实验在不同管道环境测试适应性，最终通过实时运动分析、爬坡和负载评估，证实其具备低电压驱动、高速及强鲁棒性，满足复杂管道检测需求。

图1：电学/动力学测量实验流程图

实验结果：基于MEMS制备的超薄压电复合薄膜结构可实现超声微机器人的超快双向运动控制，在54.8kHz驱动频率下达到81cm/s峰值速度，运动方向切换响应时间＜0.3s；系统在3Vpp超低驱动电压下即可启动，负载能力超过自重36倍，斜坡攀爬角度达24.25°；频率调制可实现精准双向控制，在不同管径及多种材料管道中保持稳定运动，L形弯管通过率100%；集成微内窥镜实现在线影像采集，验证了该方法在运动速度、负载能力与环境适应性方面全面满足复杂管道检测需求。

图2：微机器人在不同形状管道中的运动演示与分析

图3：驱动性能对比及攀爬与承重能力演示

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图：ATA-2022B高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇