實驗名稱：驅動器驅動特性測試

測試目的：針對球囊形DEA的結構特點和驅動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加電驅動，使用氣壓傳感器記錄驅動器DE球囊內部的氣壓變化；作為錨固結構，驅動狀態下的球囊尺寸是重點關注的性能參數，使用AVT工業相機記錄試驗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、初始氣壓作為單一變量時驅動器球囊最大半徑的變化規律，驗證外接氣腔時對驅動器球囊穩壓供氣、提升變形量的作用，并總結出較為理想的氣壓-電壓匹配關系。

測試設備：高壓放大器、氣壓傳感器、信號采集卡、工業相機、計算機等。

圖1：驅動器測試平臺示意圖

實驗過程：

驅動器測試平臺如圖1所示，主要由電壓調控、氣壓測量、球囊變形測量等部分構成。將驅動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，驅動器底部連接軟氣管至三通氣閥處；三通氣閥另外兩個出口分別連接氣壓傳感器與單向閥，通過單向閥可以給驅動器充入氣體同時防止氣體泄漏。將工業相機設置于驅動器正上方，記錄試驗過程中球囊的形變情況，為了提高成像質量使用了照明設備。計算機連接信號采集卡，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，匯總的試驗數據通過計算機軟件進行分析。

介電彈性體材料的電學特性通常要求上千伏外界電壓激發，普通的電源發生器無法滿足要求。采用了高壓功率放大器，通過計算機可以控制該高壓放大器輸出電壓的大小、波形等參數，輸出電壓可達5kV(DC)或相應峰值AC，并可以遠程控制電源通斷確保試驗安全進行；此外該高壓放大器還具有測量功能，能實時檢測并記錄電流、電壓變化，并通過信號采集卡上傳至計算機。使用了Matlab軟件對試驗過程進行控制，Matlab可以對高壓放大器施加命令流，控制其根據給定時間通斷電；通過Matlab還可以讀取信號采集卡傳輸的電信號，繪制時間、電壓、電流三者之間的關系曲線，分析驅動器加電過程中的電學特性。

由于驅動器被設計為密封氣囊，理想狀態下裝置內部氣體總量可視為不變，根據理想狀態氣體方程：PV=nRT，可知恒溫下氣壓變化與體積變化呈相反關系，則氣壓變化可以用來反映球囊體積變化。因此，氣壓變化也是試驗的重要參數之一。

圖2：氣壓測量設備(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。該傳感器電源供應為直流5V，采用圖2(b)中的小型電源進行供電。按照產品說明書進行了電源線、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換并輸送給計算機。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要求。該氣壓傳感器測量值為兩端口的氣壓差，試驗過程中僅使用一個端口即可，得到的氣壓值即為大氣壓與球囊內部氣壓的差值。

實驗結果：

圖3：AVT工業相機

氣壓變化可以反應出總體積變化，但還需要測量加電前后驅動器球囊的半徑變化作為驅動器錨定性能的參考。采用了AVT工業相機從俯視方向記錄試驗加電過程，如圖3所示。使用軟件對相機拍攝進行編程控制，在高壓放大器開始加電的同時開始拍攝，斷電后2s結束拍攝。

對采集到的試驗圖像進行處理：首先選取加電前和加電后穩定狀態的球囊圖像，利用PhotoShop軟件進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球囊形貌；然后使用ImageJ軟件對圖像進行二值化處理，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域，如圖4所示；利用ImageJ的灰度統計功能可以計算出黃色線包圍區域的像素點總數，隨后與中心磁片區域的像素點總數對比，即可得到球囊面積與中心磁片面積的比值關系。已知磁片的實際面積為16πmm2，可以輕松推算出球囊的實際面積大小，進而得到球囊半徑的估測值。

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審核編輯 黃宇