實驗名稱：最小能量結構電(dian)信號(hao)響應(ying)研究

　　研究方向：驅動(dong)器(qi)的(de)工作(zuo)行(xing)程、輸(shu)出力矩直接決定(ding)著管道機器(qi)人的(de)工作(zuo)性能(neng)，電信(xin)號(hao)對(dui)驅動(dong)器(qi)的(de)工作(zuo)行(xing)程有(you)著直接的(de)影(ying)響(xiang)。此(ci)外，軟體(ti)管道機器(qi)人的(de)向前(qian)運動(dong)方式(shi)與傳統剛性管道機器(qi)人的(de)前(qian)進方式(shi)不同(tong)，位移相比(bi)于電信(xin)號(hao)有(you)著一定(ding)的(de)滯(zhi)后效應。所以(yi)還需要探究電信(xin)號(hao)對(dui)驅動(dong)器(qi)形變角度的(de)影(ying)響(xiang)并進行(xing)相應優(you)化(hua)，從而提高驅動(dong)器(qi)負載能(neng)力和擴大驅動(dong)行(xing)程。

　　實驗目的：討(tao)論介電彈性體最小(xiao)能(neng)量(liang)(liang)(liang)結(jie)構(DielectricElastomerMinimumEnergyStructure，DEMES)的(de)動態特性，即電信號的(de)波形、頻(pin)率和峰(feng)值對(dui)DEMES的(de)電致(zhi)形變量(liang)(liang)(liang)的(de)影響(xiang)，在(zai)研究這些變量(liang)(liang)(liang)影響(xiang)的(de)實驗中(zhong)，使用已經進行(xing)了靜力學優化的(de)方案:材料拉伸率380%X300%；圓形鏤空區r、b、h分別為(wei)15mm、8mm、4mm；材料厚度為(wei)0.21mm。

　　測試設備：信號發生器、高壓放大器、位移傳感(gan)器、數字示波器等。

　　實驗過程：

　　使用信號發生器(qi)，ATA-7050高壓放大器(qi)產生驅動電壓；設(she)置測量距離為(wei)15cm，使用位(wei)移傳(chuan)感器(qi)測量對DEMES形變進(jin)行測量，保持測量范圍在15-20cm；使用數(shu)字示波器(qi)，以500Hz的采樣頻率，進(jin)行測得數(shu)據記錄。實驗臺設(she)備(bei)連接圖如圖4-1(左)和實驗裝置圖如圖4-1(右)所示。

　　為了方便測(ce)量，實驗(yan)選擇(ze)測(ce)量驅動器兩端的距離變化(hua)。

　　實驗結果：

　　為研究(jiu)DEMES在不同頻率下(xia)的動態響應，將電(dian)壓信(xin)號設置(zhi)成如表(biao)4-1所示。

　　實(shi)驗結果如圖4-2，可(ke)以看出(chu)，DEMES在不同頻率下(xia)的(de)(de)形(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)量差別(bie)較大，總體趨勢是(shi)頻率增(zeng)大形(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)減小，這(zhe)(zhe)是(shi)由(you)DE材料本身(shen)粘彈性決定的(de)(de)。DEMES的(de)(de)形(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)會后于電信(xin)號的(de)(de)發出(chu)，頻率較高時(shi)，一個(ge)(ge)周期(qi)(qi)(qi)中(zhong)DE材料上被施(shi)加了(le)電壓(ya)產(chan)生形(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)，DEMES的(de)(de)形(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)未達(da)到極限電壓(ya)就(jiu)已經停止，相似地(di)，在一個(ge)(ge)周期(qi)(qi)(qi)內(nei)停止施(shi)加電壓(ya)的(de)(de)時(shi)域內(nei)，DEMES從形(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)狀態恢(hui)復(fu)，直到接收到下(xia)個(ge)(ge)周期(qi)(qi)(qi)的(de)(de)電壓(ya)信(xin)號，此時(shi)還未完全(quan)恢(hui)復(fu)，開始下(xia)個(ge)(ge)周期(qi)(qi)(qi)的(de)(de)形(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)，頻率越高這(zhe)(zhe)種現象(xiang)越明顯。

　　為研究將(jiang)DEMES在(zai)不(bu)同(tong)峰值下(xia)的動(dong)態響應，將(jiang)電(dian)壓(ya)信號設置成1Hz占空(kong)比50%的正弦波，分別以(yi)3kV、4kV、5kV為最(zui)大(da)電(dian)壓(ya)分別測得DEMES形變量，繪制(zhi)曲(qu)線如圖4-3所示。

　　DEMES的最大(da)(da)(da)(da)形變(bian)與最大(da)(da)(da)(da)電(dian)壓成正相關，但是在(zai)同(tong)一時刻(ke)5kV與4kV形變(bian)量(liang)差大(da)(da)(da)(da)于4kV與3kV形變(bian)量(liang)差,即DEMES的形變(bian)量(liang)并(bing)不是簡單地隨(sui)電(dian)壓增(zeng)大(da)(da)(da)(da)而線性增(zeng)大(da)(da)(da)(da)，而是隨(sui)著電(dian)壓增(zeng)大(da)(da)(da)(da)，形變(bian)量(liang)增(zeng)加的梯(ti)度也增(zeng)大(da)(da)(da)(da)。在(zai)頻率允許的情(qing)況下(xia)，隨(sui)著峰值(zhi)電(dian)壓增(zeng)大(da)(da)(da)(da)，形變(bian)量(liang)會(hui)(hui)增(zeng)加，且增(zeng)加量(liang)也會(hui)(hui)增(zeng)大(da)(da)(da)(da)。

　　為(wei)(wei)探究DEMES在不同波(bo)形電壓(ya)下的動(dong)態響應(ying)，將設(she)置信(xin)號發生器(qi)以方(fang)(fang)波(bo)、三角波(bo)和正弦波(bo)的方(fang)(fang)式分別進(jin)行(xing)實驗。為(wei)(wei)了盡量排除由制作、溫度、時間等因素造成的誤差這幾種(zhong)波(bo)形施加在同一驅動(dong)器(qi)進(jin)行(xing)實驗。DEMES在高壓(ya)下運動(dong)次數較多，避(bi)免材料性(xing)質(zhi)隨(sui)時間變化，電壓(ya)采用較低的4.5kV，占空比(bi)50%，電信(xin)號頻率為(wei)(wei)5Hz。

　　圖4-4是(shi)三(san)種不同波形驅動(dong)電壓(ya)下(xia)的(de)DEMES電致形變量(liang)。

　　圖4-4方波、三角波和(he)正弦波下的DEMES電致形(xing)變(bian)量

　　在方波(bo)信(xin)號(hao)(hao)下，驅(qu)動器被施加電壓后產生形(xing)變，其(qi)速度(du)逐漸減慢直到一(yi)個周期(qi)(qi)內的(de)(de)電壓信(xin)號(hao)(hao)停止瞬間以一(yi)定速度(du)恢復初始(shi)態，其(qi)速度(du)逐漸減慢。在圖上呈現尖銳的(de)(de)波(bo)峰(feng)，50%的(de)(de)形(xing)變量增(zeng)大周期(qi)(qi)與占空比(bi)(bi)稍有滯后。DE材料具(ju)有一(yi)定粘(zhan)彈性，所(suo)以其(qi)形(xing)變相比(bi)(bi)電壓信(xin)號(hao)(hao)會有遲滯效果。

　　在三角波信號下，電壓增加(jia)的半個周期內，驅動器(qi)被施加(jia)電壓后產(chan)生形變，電壓信號達到(dao)最大瞬(shun)間(jian)前速度減慢，電信號電壓最大時，其(qi)速度幾乎為0。

　　在(zai)正弦(xian)波信號下，除了第一個周(zhou)期，驅動器(qi)被施加正弦(xian)波電壓(ya)后，產生的形變量(liang)曲線呈正弦(xian)波，由于遲滯(zhi)效(xiao)應，整體波段相比電信號稍(shao)有滯(zhi)后。

　　高壓放(fang)大器(qi)推薦：ATA-7050

　　圖：ATA-7050高壓放大器指標參數

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