[发明专利]自感测介电弹性体装置

说明书

本发明提供用于介电弹性体装置(DED)自感测的电路、系统以及方法。所述电路包括：第一DED，所述第一DED耦合到或适合于耦合到第一电压源(例如用于提供致动信号或起动信号)上；电流传感器，所述电流传感器与所述第一DED串联设置；以及振荡信号源，所述振荡信号源耦合到所述第一DED上并且适合于造成跨越所述DED的电压中的振荡，其中所述振荡信号源从所述第一电压源去耦。

技术领域

本发明涉及一种介电弹性体装置(DED)电路以及方法。更确切地说，但是非排他性地，本发明涉及一种能够自感测的介电弹性体发电机(DEG)电路以及方法。

背景技术

介电弹性体装置(DED)，无论是致动器(介电弹性体致动器，或DEA)还是发电机(介电弹性体发电机，或DEG)，都是可以用于将电能转换成机械能(反之亦然)的有用的换能器装置。DED具有关于传统的致动器/发电机的一些独特特性，例如是本身兼容的，这使得它们特别适合于某些应用。

DED通常包括夹在相反的兼容电极12之间的介电弹性体膜11。当以电容器方式跨越电极12施加高压时通过静电压力压缩介电弹性体膜11，从而造成膜从未经压缩或经收缩状态到经压缩或经膨胀状态的平面膨胀。

现有技术的传统的换能器的情况是：在许多应用中具有关于所述装置状态的一些反馈是有利的或必要的。此反馈可以用于例如闭环控制，或者检测装置的操作是否接近其极限(即，以识别从而限制装置即将发生的故障的风险)。因此，现有技术的传统的换能器通常将装有一些外部传感器(例如，微动开关、应变计、光学传感器等)以直接测量或检测装置的运动。所需的外部传感器增加了致动器的组件数量和复杂性。

DED的一个优点是：关于DED的状态反馈可以优选地动态地(例如，当DEA经致动或DEG经机械变形时)仅从致动器/发电机换能器自身的可测量电气特性获得，此优点被称为自感测。确切地说，因为DED的膜是优选地在体积上不可压缩的，所以有可能使在DED的电极之间的电容的改变与DED的物理几何形状的改变相关。因此不需要外部传感器。因此自感测DED是多功能性的，通过监视其几何形状，DED可以用作应变传感器或压力传感器，同时充当致动器或发电机(即，自供电的传感器)。DED的电容的估算还可以用于提供关于DED的电气状态的另外有用的反馈数据，包含可以指示DED的健康的充电电流以及泄漏电流。外部传感器不直接提供关于DED的电气状态的任何反馈。

随着DED上的电荷增加，电场以及静电压力也增加。如果允许电场增长过大，那么DED将经受介电击穿。当发生这种情况时，DED上的电荷将通过膜11的厚度被快速放电，从而产生大量的热量并且常常导致DED的灾难性故障。监视泄漏电流还可以使得能够检测介电击穿的前兆以及DED的故障。

由于高效DED所必需的高压，实施电容性自感测不像应用在其它领域中通常应用的电容性感测技术一样简单。尽管如此，自感测方法先前已经被开发出并且用以在DEA系统中提供反馈。

例如，第WO 2009/01515号国际专利公开案揭示了一种自感测介电致动器系统，其中相对高频率感测信号通过信号混合器叠加在低频率致动信号上，并且致动器的变形根据感测信号的改变来估算。

第WO 2010/095960号以及第WO 2012/053906号国际专利公开案各自揭示了一种用于通过仅测量电极与供应到DEA的串联电流之间的电压差来动态地(即，在DED经致动时)估算DEA的相反电极之间的电容的方法以及系统。使用电容估算，还可以估算充电电流以及泄漏电流。

然而，此类系统以及方法存在几个潜在的缺点。

首先，由于DED系统中的典型高压，现有技术的方法需要相对较昂贵的高压电子组件来引入致动信号中的所需振荡，无论所述高压电子组件是浮动的振荡信号源还是信号混合器。所述振荡可以替代地通过致动信号源自身(例如，使用脉宽调制)来产生，但是这会使设计变得复杂。