從地震模擬臺到微納加工平臺，從飛行器風(fēng)洞實驗到柔性機(jī)器人研發(fā)，功率放大器——這個電子工程領(lǐng)域的經(jīng)典器件，正成為現(xiàn)代機(jī)械學(xué)院實驗室里不可或缺的“力量轉(zhuǎn)換中樞”。

從控制信號到物理運動：功率放大器的“機(jī)電視角”

現(xiàn)代機(jī)械工程早已超越傳統(tǒng)的齒輪與杠桿，進(jìn)入了機(jī)電深度融合的時代。無論是智能裝備的精準(zhǔn)驅(qū)動，還是復(fù)雜振動環(huán)境的模擬，抑或是新材料力學(xué)性能的測試，都需要將微弱的控制信號（毫瓦級）轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動物理運動的強(qiáng)大功率（千瓦級）。

圖：面向木結(jié)構(gòu)的螺栓連接松動檢測系統(tǒng)設(shè)計

功率放大器在機(jī)械工程實驗中扮演著三個關(guān)鍵角色：

執(zhí)行器的“動力源泉”：將來自控制器（如PLC、運動控制卡）的毫安級指令信號，線性放大至足以驅(qū)動伺服電機(jī)、直線電機(jī)、電磁激振器，實現(xiàn)“信號”到“力量”的轉(zhuǎn)化。

動態(tài)響應(yīng)的“精度保障”：通過高帶寬、低失真的功率輸出，確保驅(qū)動系統(tǒng)能夠精確復(fù)現(xiàn)復(fù)雜的運動軌跡或振動波形，無論是高頻微幅振動還是低速大扭矩轉(zhuǎn)動。

多軸協(xié)同的“同步指揮官”：在多自由度運動平臺或并聯(lián)機(jī)器人實驗中，多臺功率放大器的同步控制精度，直接決定了末端執(zhí)行器的空間定位精度與軌跡跟蹤能力。

實驗室革新：功率放大器驅(qū)動的四大科研與教學(xué)場景

1.振動與動力學(xué)實驗：從地震模擬到故障診斷

結(jié)構(gòu)抗震實驗：實驗中，大型振動臺系統(tǒng)正模擬著八級地震的地面運動。驅(qū)動這些數(shù)十噸載重平臺的，是陣列式的大功率線性功率放大器。它們根據(jù)輸入的地震波信號，精確控制多個液壓作動器，為建筑結(jié)構(gòu)的安全性驗證提供了真實的動態(tài)載荷環(huán)境。

圖：功率放大器在結(jié)構(gòu)鋼表面材料測試中的應(yīng)用

2.材料與結(jié)構(gòu)測試：探尋性能極限

動態(tài)材料試驗：實驗中，高頻疲勞試驗機(jī)正以100Hz的頻率對新型航空合金材料進(jìn)行拉-壓循環(huán)測試。驅(qū)動試驗機(jī)作動筒的高頻響，確保了載荷波形在高速下的精確性，為評估材料在極端循環(huán)載荷下的壽命提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

智能材料驅(qū)動：研究壓電陶瓷、形狀記憶合金等智能材料時，需要特殊的功率放大器來提供驅(qū)動電場或激勵電流，以測試其形變特性與作動力，為下一代微型作動器或自適應(yīng)結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

3.先進(jìn)制造與精密加工

超聲輔助加工：研究人員利用功率放大器驅(qū)動超聲換能器，使金剛石刀具產(chǎn)生高頻微幅振動，對碳化硅復(fù)合材料進(jìn)行車削。這種“超聲輔助”工藝能顯著降低切削力，提高加工表面質(zhì)量。放大器的頻率穩(wěn)定性與功率輸出純度是關(guān)鍵。

4.機(jī)器人學(xué)與機(jī)電一體化

仿生機(jī)器人驅(qū)動：在多自由度仿生機(jī)器人、外骨骼或柔性機(jī)器人研究實驗中，需要高壓高功率放大器來進(jìn)行驅(qū)動。

力控與觸覺反饋：在遙操作機(jī)器人或康復(fù)機(jī)器人研究中，實現(xiàn)精細(xì)的力控制與觸覺反饋，要求功率放大器能快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)力矩指令，并具備高帶寬的力傳感信號交互能力。

圖：ATA-300/3000系列功率放大器指標(biāo)參數(shù)

在高校機(jī)械學(xué)院的實驗室里，功率放大器已遠(yuǎn)非簡單的“信號放大”裝置。它是將數(shù)字世界的控制算法轉(zhuǎn)化為物理世界精確力與運動的魔法棒，是驗證前沿理論的試金石，也是培養(yǎng)學(xué)生工程直覺與創(chuàng)新能力的活教材。

審核編輯 黃宇