實(shí)驗(yàn)名稱：圓柱驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

研究方向：基于介電彈性體的工作原理，設(shè)計(jì)了一種圓柱驅(qū)動(dòng)器，在理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制作和具體應(yīng)用等方面進(jìn)行了闡述與分析。以VHB4910薄膜為介電彈性體材料，采用超彈性模型--Yeoh模型和Ogden模型，分別對(duì)圓柱驅(qū)動(dòng)器的電致變形過(guò)程構(gòu)建數(shù)學(xué)理論模型，分析了預(yù)拉伸率、加載電壓等因素對(duì)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能(軸向應(yīng)力、電致變形能力)的影響。以VHB4910薄膜為介電彈性體材料，采用超彈性模型--Yeoh模型和Ogden模型，分別對(duì)圓柱驅(qū)動(dòng)器的電致變形過(guò)程構(gòu)建數(shù)學(xué)理論模型，分析了預(yù)拉伸率、加載電壓等因素對(duì)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能(軸向應(yīng)力、電致變形能力)的影響。并且為了研究圓柱驅(qū)動(dòng)器的安全可靠的工作空間，從熱力學(xué)理論Helmholtz自由能函數(shù)出發(fā)，以O(shè)gden模型為基礎(chǔ)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器工作過(guò)程中的四種失效模式--機(jī)電失穩(wěn)、電擊穿、張力失穩(wěn)、極限拉伸斷裂，進(jìn)行數(shù)值分析求解，得到了驅(qū)動(dòng)器的有效工作空間，為驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?duì)圓柱驅(qū)動(dòng)器工作過(guò)程中的漏電現(xiàn)象建立了等效電路模型，對(duì)模型中的參數(shù)提出了測(cè)量方法，并采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法對(duì)漏電電流進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的圓柱驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

測(cè)試設(shè)備：測(cè)試系統(tǒng)由高壓設(shè)備、位移測(cè)距儀、拉壓傳感器、計(jì)算機(jī)等組成。高壓設(shè)備采用安泰電子ATA-67100高壓放大器，電壓調(diào)節(jié)范圍為±10kVp電流輸出范圍為0-2mA，額定功率為20W可通過(guò)電源本身調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，工作穩(wěn)定性可以達(dá)到小于0.1%h。電動(dòng)立式單柱測(cè)試臺(tái)內(nèi)置傳感器，精度為士0.5%，最大負(fù)荷為100N，最大位移行程為580mm，拉伸速度為0.5mm/s。驅(qū)動(dòng)器的主要性能指標(biāo)有:輸出位移AL、輸出力AF、臨界擊穿電壓AU、疲勞強(qiáng)度等。

圖：實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：為了更直觀的了解驅(qū)動(dòng)器的漏電現(xiàn)象，因此檢測(cè)圓柱驅(qū)動(dòng)器加載電壓過(guò)程中的電流變化來(lái)研究其漏電電流，泄漏電流的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原理圖和實(shí)驗(yàn)測(cè)試如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將一個(gè)大電阻與驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)，對(duì)串聯(lián)電路加載不同傾斜率的斜坡電壓，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，用示波器檢測(cè)串聯(lián)電阻R上的電壓變化，經(jīng)過(guò)換算后即為串聯(lián)電路中的電流，具體操作過(guò)程如下:

①將驅(qū)動(dòng)器固定在測(cè)試平臺(tái)上，緩慢移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，每次拉伸的距離為L(zhǎng);

②保持位置平衡后，測(cè)量圓柱驅(qū)動(dòng)器在當(dāng)前位置的電容值;

③對(duì)驅(qū)動(dòng)器施加斜率200V的斜坡電壓，直至升壓至目標(biāo)電壓，并保持一段時(shí)間;

④用示波器測(cè)量施加斜坡電壓過(guò)程中電阻R上的電壓變化U(t)，計(jì)算漏電電流;

圖2：泄漏電流的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用的示波器模擬帶寬為100MHz，采樣頻率為1GS/s，可以實(shí)現(xiàn)快速采樣，采用的高壓探頭為1000:1，防止高壓對(duì)示波器的損壞。

目標(biāo)電壓分別為1kV、3KV、4.5KV，電路中串聯(lián)的大電阻R為高電阻，電阻值為10兆歐，在檢測(cè)時(shí)圓柱驅(qū)動(dòng)器保持一段時(shí)間(10s)，處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此電容是恒定的，測(cè)量值為C-2.4nF。

圖4-7、圖4-8、圖4-9分別為目標(biāo)電壓1kV、3KV、4.5KV時(shí)的泄洞電流檢測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，漏電電流有一定的波動(dòng)性，這是由于電壓發(fā)生變化時(shí)驅(qū)動(dòng)器軸向伸長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生微小的改變，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有外在環(huán)境的影響，因此采集到的數(shù)據(jù)有一定的波動(dòng)。對(duì)比三幅圖可以看出，加載電壓的大小雖然不同，但是泄電流的變化趨勢(shì)是一樣的，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)器在加載電壓過(guò)程中存在著電流泄露，并且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，泄漏電流越明顯。

泄漏電流i可由泄漏電流密度j乘以柔性電極的有效區(qū)域A得到。A為柔性電極的有效區(qū)域，A≈2500mm，泄漏電流密度j根據(jù)公式計(jì)算，通常取o=3.23x0.0004S/m，Ee=40MV/m，根據(jù)理論公式計(jì)算出的理論泄漏電流為圖中所示。

高壓放大器推薦：ATA-7100

圖：ATA-7100高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇