安泰高壓放大器在驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)特性測試中的應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)名稱：驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)特性測試

　　測試目的：針對球囊形DEA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)要求搭建了測試平臺。通過MATLAB軟件控制高壓放大器對球囊型DEA加電驅(qū)動(dòng)，使用氣壓傳感器記錄驅(qū)動(dòng)器DE球囊內(nèi)部的氣壓變化；作為錨固結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的球囊尺寸是重點(diǎn)關(guān)注的性能參數(shù)，使用AVT工業(yè)相機(jī)記錄試驗(yàn)過程并得到各階段的球囊最大半徑。通過測試得到了球囊形DEA的臨界電壓，研究了加電電壓、初始?xì)鈮鹤鳛閱我蛔兞繒r(shí)驅(qū)動(dòng)器球囊最大半徑的變化規(guī)律，驗(yàn)證外接氣腔時(shí)對驅(qū)動(dòng)器球囊穩(wěn)壓供氣、提升變形量的作用，并總結(jié)出較為理想的氣壓-電壓匹配關(guān)系。

　　測試設(shè)備：高壓放大器、氣壓傳感器、信號采集卡、工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)等。

　　圖1：驅(qū)動(dòng)器測試平臺示意圖

　　實(shí)驗(yàn)過程：

　　驅(qū)動(dòng)器測試平臺如圖1所示，主要由電壓調(diào)控、氣壓測量、球囊變形測量等部分構(gòu)成。將驅(qū)動(dòng)器樣品平放在由立柱支撐的測試平面上，鋁箔電極與高壓放大器的電壓輸出端連接，驅(qū)動(dòng)器底部連接軟氣管至三通氣閥處；三通氣閥另外兩個(gè)出口分別連接氣壓傳感器與單向閥，通過單向閥可以給驅(qū)動(dòng)器充入氣體同時(shí)防止氣體泄漏。將工業(yè)相機(jī)設(shè)置于驅(qū)動(dòng)器正上方，記錄試驗(yàn)過程中球囊的形變情況，為了提高成像質(zhì)量使用了照明設(shè)備。計(jì)算機(jī)連接信號采集卡，一方面用于控制高壓放大器的輸出電壓，另一方面收集氣壓傳感器、高壓放大器等輸出的信號，匯總的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析。

　　介電彈性體材料的電學(xué)特性通常要求上千伏外界電壓激發(fā)，普通的電源發(fā)生器無法滿足要求。采用了高壓功率放大器，通過計(jì)算機(jī)可以控制該高壓放大器輸出電壓的大小、波形等參數(shù)，輸出電壓可達(dá)5kV(DC)或相應(yīng)峰值A(chǔ)C，并可以遠(yuǎn)程控制電源通斷確保試驗(yàn)安全進(jìn)行；此外該高壓放大器還具有測量功能，能實(shí)時(shí)檢測并記錄電流、電壓變化，并通過信號采集卡上傳至計(jì)算機(jī)。使用了Matlab軟件對試驗(yàn)過程進(jìn)行控制，Matlab可以對高壓放大器施加命令流，控制其根據(jù)給定時(shí)間通斷電；通過Matlab還可以讀取信號采集卡傳輸?shù)碾娦盘枺L制時(shí)間、電壓、電流三者之間的關(guān)系曲線，分析驅(qū)動(dòng)器加電過程中的電學(xué)特性。

　　由于驅(qū)動(dòng)器被設(shè)計(jì)為密封氣囊，理想狀態(tài)下裝置內(nèi)部氣體總量可視為不變，根據(jù)理想狀態(tài)氣體方程：PV=nRT，可知恒溫下氣壓變化與體積變化呈相反關(guān)系，則氣壓變化可以用來反映球囊體積變化。因此，氣壓變化也是試驗(yàn)的重要參數(shù)之一。

　　圖2：氣壓測量設(shè)備(a)氣壓傳感器(b)氣壓傳感器電源

　　選用了壓力傳感器，如圖2(a)所示。該傳感器電源供應(yīng)為直流5V，采用圖2(b)中的小型電源進(jìn)行供電。按照產(chǎn)品說明書進(jìn)行了電源線、信號線的接線，信號線連接至信號采集卡將氣壓傳感器采集到的信號轉(zhuǎn)換并輸送給計(jì)算機(jī)。該傳感器量程為±5PSI（即±34.475kPa），測量誤差為±0.01kPa，量程與精度都滿足試驗(yàn)要求。該氣壓傳感器測量值為兩端口的氣壓差，試驗(yàn)過程中僅使用一個(gè)端口即可，得到的氣壓值即為大氣壓與球囊內(nèi)部氣壓的差值。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　圖3：AVT工業(yè)相機(jī)

　　氣壓變化可以反應(yīng)出總體積變化，但還需要測量加電前后驅(qū)動(dòng)器球囊的半徑變化作為驅(qū)動(dòng)器錨定性能的參考。采用了AVT工業(yè)相機(jī)從俯視方向記錄試驗(yàn)加電過程，如圖3所示。使用軟件對相機(jī)拍攝進(jìn)行編程控制，在高壓放大器開始加電的同時(shí)開始拍攝，斷電后2s結(jié)束拍攝。

　　對采集到的試驗(yàn)圖像進(jìn)行處理：首先選取加電前和加電后穩(wěn)定狀態(tài)的球囊圖像，利用PhotoShop軟件進(jìn)行批處理截取出相同位置和尺寸的圖片，要求包括清晰的整個(gè)球囊形貌；然后使用ImageJ軟件對圖像進(jìn)行二值化處理，讓球囊邊緣與非球囊部分形成明顯的灰度對比，使用工具選取球囊邊界區(qū)域，如圖4所示；利用ImageJ的灰度統(tǒng)計(jì)功能可以計(jì)算出黃色線包圍區(qū)域的像素點(diǎn)總數(shù)，隨后與中心磁片區(qū)域的像素點(diǎn)總數(shù)對比，即可得到球囊面積與中心磁片面積的比值關(guān)系。已知磁片的實(shí)際面積為16πmm2，可以輕松推算出球囊的實(shí)際面積大小，進(jìn)而得到球囊半徑的估測值。

　　高壓放大器推薦：ATA-7050

　　圖：ATA-7050高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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