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介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)是一种具备弹性变形能力的电介质薄膜材料,在介电弹性体上下表面覆着柔性电极可制造出弹性电容。当柔性电极两端接入直流电压源,介电弹性体将沿电力线方向产生收缩,并在与电力线垂直正交的平面内扩展延伸,该现象被称为电致伸缩效应。逆向利用电致伸缩效应,DE电容将成为一个电能生产单元,即介电弹性体发电机(Dielectric Elastomer Generator,DEG)。在过去的研究中,DEG发电需要高压直流电源提供偏置电压,这制约了DEG技术在实际工程中的利用。本文采用压电材料为DEG提供偏置电压,并采用一种自偏置电路对DEG产生的电能进行累加再利用,设计了一种新型压电偏置式DEG,从而解决DEG发电技术中无法自供电的问题。本文围绕该课题,主要进行了以下几方面的研究:(1)分析了介电弹性体发电技术的原理,并对介电弹性体发电过程中电压的变化进行了理论推导。对恒电场、恒电压、恒电荷三种偏置模式下,DEG所受Maxwell应力的大小与面积拉伸率的关系进行了分析;研究了超弹性本构模型,了解了本构模型建立的方法,典型的本构模型主要包括Mooney-Rivlin模型、Ogden模型、Neo-Hookean模型等,根据介电弹性体材料的特点,选择了Ogden模型作为介电弹性体的本构模型,推导了偏置电压作用下,DEG电压变化与其应变的关系,构造了DEG的力学模型;分析了压电发电原理,并给出了压电电能输出形式的表达式。(2)根据DEG发电原理,建立了DEG的电学模型,结合DEG的力学模型,利用MATLAB/Simulink软件对DEG进行了建模与仿真;利用Simulink的Simscape库建立了压电偏置式电路模型,将其与DEG仿真模型结合,建立了压电偏置式DEG,并用交流电源模拟压电输出波形,对模型进行了仿真实验;分析了自偏置电路和DEG配合工作的原理,利用MATLAB/Simulink软件对自偏置电路进行了建模与仿真。(3)利用函数信号发生器、功率发大器、激振器搭建了压电片振动系统,将压电片产生的电能存储于电容中,用其为DEG提供偏置电压;选用VHB4910为DE材料,选用导电膏DS-001作为DEG的柔性电极,利用亚克力板制成了圆形DE膜的支撑框架,并采用步进电机推动曲柄滑块机构驱动DEG产生形变;实验证明了压电片可以为DEG提供偏置电压,并发现DEG输出电压与偏置电压成正比例关系。(4)采用STM32单片机设计了嵌入式实验系统,系统采用了模块化和分层设计的思想,从软件和硬件两个方面阐述了系统设计流程。硬件部分对STM32的最小系统、JTAG调试接口、UART接口、FSMC接口等做了详细的介绍。软件部分采用集成开发环境MDK进行程序的编辑和编译,程序设计过程中调用了STM32的固件库函数、uC/OS和uC/GUI,缩短了系统开发周期,实现了DEG电压数据采集和偏置电压供给控制的基本功能。