高压放大器在电致动介电弹性体圆柱驱动器中的应用

Aigtek 2025-03-18 11:24 72浏览 0评论 0点赞

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实验名称：圆柱驱动器的设计与性能测试

研究方向：基于介电弹性体的工作原理，设计了一种圆柱驱动器，在理论分析、结构设计、加工制作和具体应用等方面进行了阐述与分析。以VHB4910薄膜为介电弹性体材料，采用超弹性模型--Yeoh模型和Ogden模型，分别对圆柱驱动器的电致变形过程构建数学理论模型，分析了预拉伸率、加载电压等因素对驱动器的驱动性能(轴向应力、电致变形能力)的影响。以VHB4910薄膜为介电弹性体材料，采用超弹性模型--Yeoh模型和Ogden模型，分别对圆柱驱动器的电致变形过程构建数学理论模型，分析了预拉伸率、加载电压等因素对驱动器的驱动性能(轴向应力、电致变形能力)的影响。并且为了研究圆柱驱动器的安全可靠的工作空间，从热力学理论Helmholtz自由能函数出发，以Ogden模型为基础，对驱动器工作过程中的四种失效模式--机电失稳、电击穿、张力失稳、极限拉伸断裂，进行数值分析求解，得到了驱动器的有效工作空间，为驱动器的设计提供了理论依据。

实验目的：对圆柱驱动器工作过程中的漏电现象建立了等效电路模型，对模型中的参数提出了测量方法，并采用实验测定的方法对漏电电流进行测量，验证所设计的圆柱驱动器，通过实验对理论数据进行实际测试。

测试设备：测试系统由高压设备、位移测距仪、拉压传感器、计算机等组成。高压设备采用安泰电子ATA-67100高压放大器，电压调节范围为±10kVp电流输出范围为0-2mA，额定功率为20W可通过电源本身调节，也可以通过计算机远程控制，工作稳定性可以达到小于0.1%h。电动立式单柱测试台内置传感器，精度为士0.5%，最大负荷为100N，最大位移行程为580mm，拉伸速度为0.5mm/s。驱动器的主要性能指标有:输出位移AL、输出力AF、临界击穿电压AU、疲劳强度等。

图：实验测试装置

实验过程：为了更直观的了解驱动器的漏电现象，因此检测圆柱驱动器加载电压过程中的电流变化来研究其漏电电流，泄漏电流的检测实验原理图和实验测试如图2所示。实验过程中，将一个大电阻与驱动器串联，对串联电路加载不同倾斜率的斜坡电压，打开开关，用示波器检测串联电阻R上的电压变化，经过换算后即为串联电路中的电流，具体操作过程如下:

①将驱动器固定在测试平台上，缓慢移动测试平台，每次拉伸的距离为L;

②保持位置平衡后，测量圆柱驱动器在当前位置的电容值;

③对驱动器施加斜率200V的斜坡电压，直至升压至目标电压，并保持一段时间;

④用示波器测量施加斜坡电压过程中电阻R上的电压变化U(t)，计算漏电电流;

图2：泄漏电流的检测实验原理图

实验结果：在实验过程中，使用的示波器模拟带宽为100MHz，采样频率为1GS/s，可以实现快速采样，采用的高压探头为1000:1，防止高压对示波器的损坏。

目标电压分别为1kV、3KV、4.5KV，电路中串联的大电阻R为高电阻，电阻值为10兆欧，在检测时圆柱驱动器保持一段时间(10s)，处于静止状态，因此电容是恒定的，测量值为C-2.4nF。

图4-7、图4-8、图4-9分别为目标电压1kV、3KV、4.5KV时的泄洞电流检测结果。从图中可以看出，漏电电流有一定的波动性，这是由于电压发生变化时驱动器轴向伸长，结构会发生微小的改变，并且实验过程中有外在环境的影响，因此采集到的数据有一定的波动。对比三幅图可以看出，加载电压的大小虽然不同，但是泄电流的变化趋势是一样的，说明驱动器在加载电压过程中存在着电流泄露，并且随著电场强度的增加，泄漏电流越明显。