高壓放大器在基于介電彈性體的管道機器人研究中的應用

　　實驗名稱：最小能量結構電信號響應研究

　　研究方向：驅動器的工作行程、輸出力矩直接決定著管道機器人的工作性能，電信號對驅動器的工作行程有著直接的影響。此外，軟體管道機器人的向前運動方式與傳統剛性管道機器人的前進方式不同，位移相比于電信號有著一定的滯后效應。所以還需要探究電信號對驅動器形變角度的影響并進行相應優化，從而提高驅動器負載能力和擴大驅動行程。

　　實驗目的：討論介電彈性體最小能量結構(DielectricElastomerMinimumEnergyStructure，DEMES)的動態特性，即電信號的波形、頻率和峰值對DEMES的電致形變量的影響，在研究這些變量影響的實驗中，使用已經進行了靜力學優化的方案:材料拉伸率380%X300%；圓形鏤空區r、b、h分別為15mm、8mm、4mm；材料厚度為0.21mm。

　　測試設備：信號發生器、高壓放大器、位移傳感器、數字示波器等。

　　實驗過程：

　　使用信號發生器，ATA-7050高壓放大器產生驅動電壓；設置測量距離為15cm，使用位移傳感器測量對DEMES形變進行測量，保持測量范圍在15-20cm；使用數字示波器，以500Hz的采樣頻率，進行測得數據記錄。實驗臺設備連接圖如圖4-1(左)和實驗裝置圖如圖4-1(右)所示。

圖4-1：實驗裝置圖

　　為了方便測量，實驗選擇測量驅動器兩端的距離變化。

　　實驗結果：

　　為研究DEMES在不同頻率下的動態響應，將電壓信號設置成如表4-1所示。

　　實驗結果如圖4-2，可以看出，DEMES在不同頻率下的形變量差別較大，總體趨勢是頻率增大形變減小，這是由DE材料本身粘彈性決定的。DEMES的形變會后于電信號的發出，頻率較高時，一個周期中DE材料上被施加了電壓產生形變，DEMES的形變未達到極限電壓就已經停止，相似地，在一個周期內停止施加電壓的時域內，DEMES從形變狀態恢復，直到接收到下個周期的電壓信號，此時還未恢復，開始下個周期的形變，頻率越高這種現象越明顯。

　　為研究將DEMES在不同峰值下的動態響應，將電壓信號設置成1Hz占空比50%的正弦波，分別以3kV、4kV、5kV為最大電壓分別測得DEMES形變量，繪制曲線如圖4-3所示。

　　DEMES的最大形變與最大電壓成正相關，但是在同一時刻5kV與4kV形變量差大于4kV與3kV形變量差,即DEMES的形變量并不是簡單地隨電壓增大而線性增大，而是隨著電壓增大，形變量增加的梯度也增大。在頻率允許的情況下，隨著峰值電壓增大，形變量會增加，且增加量也會增大。

　　為探究DEMES在不同波形電壓下的動態響應，將設置信號發生器以方波、三角波和正弦波的方式分別進行實驗。為了盡量排除由制作、溫度、時間等因素造成的誤差這幾種波形施加在同一驅動器進行實驗。DEMES在高壓下運動次數較多，避免材料性質隨時間變化，電壓采用較低的4.5kV，占空比50%，電信號頻率為5Hz。

　　圖4-4是三種不同波形驅動電壓下的DEMES電致形變量。

　　圖4-4方波、三角波和正弦波下的DEMES電致形變量

　　在方波信號下，驅動器被施加電壓后產生形變，其速度逐漸減慢直到一個周期內的電壓信號停止瞬間以一定速度恢復初始態，其速度逐漸減慢。在圖上呈現尖銳的波峰，50%的形變量增大周期與占空比稍有滯后。DE材料具有一定粘彈性，所以其形變相比電壓信號會有遲滯效果。

　　在三角波信號下，電壓增加的半個周期內，驅動器被施加電壓后產生形變，電壓信號達到最大瞬間前速度減慢，電信號電壓最大時，其速度幾乎為0。

　　在正弦波信號下，除了第一個周期，驅動器被施加正弦波電壓后，產生的形變量曲線呈正弦波，由于遲滯效應，整體波段相比電信號稍有滯后。

　　高壓放大器推薦：ATA-7050

　　圖：ATA-7050高壓放大器指標參數

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