介电弹性体机电性能测试系统的研制.pdfVIP

2014年 1月 机械设计与制造工程 Jan．2014 第43卷 第 1期 MachineDesignandManufacturingEngineering Vo1．43No．1 DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2014．01．013 介电弹性体机 电性能测试系统的研制 闫 华 ，张 杰 ，杨征宇 ，刘 卫 (1．南京工程学院机械工程学院，江苏 南京 211167) (2．先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，江苏 南京 211167) 摘要：为了能更安全高效地测试介电弹性体的变形和应变，建立 了一种介 电弹性体机电性能测试 系统。首先设计双向材料预拉伸机构，实现对介 电弹性体薄膜进行精确的双向预拉伸，接着使用 AVR单片机编写的PWM程序给介 电弹性体 中心的圆形 电极 区域逐步施加高电压，再使用高性 能工业数字摄像机对介 电弹性体薄膜的变化进行实时采集。最后用MATLAB编写的程序分别打 开各次采集的图像，对所采集图像进行诸如灰度图、二值化、边缘提取、形态学处理等加工，获得 介电弹性体中心的圆形电极区域图像面积的变化量，从而得到介 电弹性体的机 电特性曲线。 关键词：介 电弹性体 ；机电性能；图像采集；MATLAB图像处理 中图分类号：TB17；TG502．1 文献标识码 ：B 文章编号：2095—509X(2014)01—005l一04 介 电弹性体是一种能够在电流、电压或电场作 体的机电性能。 用下产生物理形变的聚合物智能材料 ，这种形变具 有瞬发性，因此被视为微型机器人中驱动器的理想 1 介电弹性体实验装置的构建 材料 ¨J。与传统微驱动材料相比，介 电弹性体产 本文首先设计出双向材料预拉伸机构，用于对 生的应变比传统的脆性压电陶瓷高出两个数量级， 介电弹性体薄膜进行双向预拉伸。双向材料预拉 比形状记忆合金响应速度更快，因而成为国内外瞩 伸机构以步进 电机为动力源，以梅花联轴器与滚珠 目的新型微驱动材料。近十年来，各国学者对该材 丝杠进行联接 ，通过滚珠丝杠副带动夹具进行直线 料的性能进行了深入的理论和实验研究，特别是作 运动。工作台面设计了特殊的夹具，用于在介电弹 为驱动 材料方面 的研究引起 了人们 的广泛关 性体薄膜的四边夹紧介电弹性体薄膜。为了使介 注_2J。目前在这一领域的研究中处于领先地位的 电弹性体薄膜能够在二维平面内实现任意拉伸，它 是美 国加利福尼亚州斯坦福研究院(SRI)，SRI试 被设计成 ，y向均可单独运动。 图充分利用介 电弹性体的特性，在某些微小产品上 使用双向材料预拉伸机构对介 电弹性体薄膜 取代常规的电动马达或其他的驱动装置，其初期的 的两个方向按照一定的比例预拉伸后，在薄膜的上 成果便是二维弯曲辊驱动的六腿机器人，这是聚合 下两面对称地分别加上圆环形框架，然后在介 电弹 物驱动器发展史上的一个里程碑 J。国内方面迄 性体薄膜上下两面的中心区域分别涂上石墨电极， 今为止关于介 电弹性体的驱动、结构及应用方面的 使用锡纸做成导电线路 ，以便在石墨电极的上下两 研究尚处在起步阶段，很多实验装置都是采用手工 面分别施加正负直流高电压。构建好的实验装置 方式进行 电压调节 。由于介 电弹性体具有高 电压 如图1所示 。 驱动和大应变特性 ，传统的接触测量传感方式用于 测试介电弹性体的变形和应变是危险和困难的。 2 高电压 自动控制系统的设计 因此本文使用具有 PWM控制功能的高性能单片 为了测试介 电弹性体薄膜的机 电性能，需要对 机(mega128)控制高压电源逐步给介 电弹性体施 其逐步施加高电压