實驗名稱：圓柱驅(qū)動器的設計與性能測試

研究方向：基于介電彈性體的工作原理，設計了一種圓柱驅(qū)動器，在理論分析、結(jié)構(gòu)設計、加工制作和具體應用等方面進行了闡述與分析。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，分別對圓柱驅(qū)動器的電致變形過程構(gòu)建數(shù)學理論模型，分析了預拉伸率、加載電壓等因素對驅(qū)動器的驅(qū)動性能(軸向應力、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，分別對圓柱驅(qū)動器的電致變形過程構(gòu)建數(shù)學理論模型，分析了預拉伸率、加載電壓等因素對驅(qū)動器的驅(qū)動性能(軸向應力、電致變形能力)的影響。并且為了研究圓柱驅(qū)動器的安全可靠的工作空間，從熱力學理論Helmholtz自由能函數(shù)出發(fā)，以Ogden模型為基礎，對驅(qū)動器工作過程中的四種失效模式--機電失穩(wěn)、電擊穿、張力失穩(wěn)、極限拉伸斷裂，進行數(shù)值分析求解，得到了驅(qū)動器的有效工作空間，為驅(qū)動器的設計提供了理論依據(jù)。

實驗目的：對圓柱驅(qū)動器工作過程中的漏電現(xiàn)象建立了等效電路模型，對模型中的參數(shù)提出了測量方法，并采用實驗測定的方法對漏電電流進行測量，驗證所設計的圓柱驅(qū)動器，通過實驗對理論數(shù)據(jù)進行實際測試。

測試設備：測試系統(tǒng)由高壓設備、位移測距儀、拉壓傳感器、計算機等組成。高壓設備采用安泰電子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可通過電源本身調(diào)節(jié)，也可以通過計算機遠程控制，工作穩(wěn)定性可以達到小于0.1%h。電動立式單柱測試臺內(nèi)置傳感器，精度為士0.5%，最大負荷為100N，最大位移行程為580mm，拉伸速度為0.5mm/s。驅(qū)動器的主要性能指標有:輸出位移AL、輸出力AF、臨界擊穿電壓AU、疲勞強度等。

圖：實驗測試裝置

實驗過程：為了更直觀的了解驅(qū)動器的漏電現(xiàn)象，因此檢測圓柱驅(qū)動器加載電壓過程中的電流變化來研究其漏電電流，泄漏電流的檢測實驗原理圖和實驗測試如圖2所示。實驗過程中，將一個大電阻與驅(qū)動器串聯(lián)，對串聯(lián)電路加載不同傾斜率的斜坡電壓，打開開關(guān)，用示波器檢測串聯(lián)電阻R上的電壓變化，經(jīng)過換算后即為串聯(lián)電路中的電流，具體操作過程如下:

①將驅(qū)動器固定在測試平臺上，緩慢移動測試平臺，每次拉伸的距離為L;

②保持位置平衡后，測量圓柱驅(qū)動器在當前位置的電容值;

③對驅(qū)動器施加斜率200V的斜坡電壓，直至升壓至目標電壓，并保持一段時間;

④用示波器測量施加斜坡電壓過程中電阻R上的電壓變化U(t)，計算漏電電流;

圖2：泄漏電流的檢測實驗原理圖

實驗結(jié)果：在實驗過程中，使用的示波器模擬帶寬為100MHz，采樣頻率為1GS/s，可以實現(xiàn)快速采樣，采用的高壓探頭為1000:1，防止高壓對示波器的損壞。

目標電壓分別為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，在檢測時圓柱驅(qū)動器保持一段時間(10s)，處于靜止狀態(tài)，因此電容是恒定的，測量值為C-2.4nF。

圖4-7、圖4-8、圖4-9分別為目標電壓1kV、3KV、4.5KV時的泄洞電流檢測結(jié)果。從圖中可以看出，漏電電流有一定的波動性，這是由于電壓發(fā)生變化時驅(qū)動器軸向伸長，結(jié)構(gòu)會發(fā)生微小的改變，并且實驗過程中有外在環(huán)境的影響，因此采集到的數(shù)據(jù)有一定的波動。對比三幅圖可以看出，加載電壓的大小雖然不同，但是泄電流的變化趨勢是一樣的，說明驅(qū)動器在加載電壓過程中存在著電流泄露，并且隨著電場強度的增加，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)公式計算，通常取o=3.23x0.0004S/m，Ee=40MV/m，根據(jù)理論公式計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高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇