刘志运
(广州铁路职业技术学院 机车车辆学院，广东 广州 510430)
EAP(Electroactive polymer，电活性聚合物)作为一种新型的压电材料，其自身具有的特性如下：①EAP材料具有较大应变变形量，常见的电磁材料、单晶陶瓷(PZN-PT)应变变形量分别仅为50%、1.7%，而EAP中的丙烯酸材料最大临界值可达600%；
②发电能量比巨大，能量比大于压电材料中具有最优性能的单晶陶瓷，理论上该材料的比能量密度为1.5 J/g；
③材料自身具有耐冲击、材料密度低、柔顺性好、成本低等特点[1-2]；
④无需中间转换环节，可与能量源直接耦合，耦合效率90%。自20世纪90年代以来，该材料受到不少国内外学者的关注，并将其应用在航空航天、医疗卫生和机器人等方面，开展了相关的实验研究。近几年，电活性聚合物因其独特的电性能和机械性能引起人们越来越多的关注[3]。
当前能源危急，可以利用EAP材料的机械能转化为电能，实现环境中的机械能量收集利用，EAP机械能转化为电能的影响因素还有待进一步研究。为了分析EAP机械能转化为电能的影响因素，笔者针对需求制定EAP机械能转化为电能实验台系统软件的设计与开发方案，对实验方案中的伺服电动缸的运动速度、位移、循环次数等参数进行精确调整，对电压变化、电容值变化、拉伸过程中材料自身张力变化等数据进行实时采集[4]。通过实验装置软件设计与开发达到了实验装置各项参数设置以及实验结果实时采集，使测试结果更加精确、形象、直观，对EAP机械能转化为电能影响因素的理论分析有着重要的参考意义。
EAP是一种新型电致感应智能材料，是在丙烯酸、硅树脂等弹性体材料基质的上下表面渗入屈从电极材料而形成的，是一种基于麦克斯韦效应的材料[5]。EAP材料具有驱动和发电两种工作模式。EAP也可以进行多种形式的发电过程，其中最简单且易实现的是利用恒定电荷。EAP机械能转化为电能方式与压电材料相似，而发电机理却有本质的不同，该材料的发电原理如图1所示。EAP发电原理：从宏观上，EAP拉伸过程中，随着弹性体材料薄膜面积不断增大，电容也随之增大，此时电荷注入到弹性体薄膜电极上，如图1(a)所示；
当EAP受力紧缩弛豫时，随着弹性体材料薄膜面积就会缩小至初始状态，弹性体材料电容也就逐渐变小，而在弹性体材料电容由大变小的过程中，弹性体材料的弹性应力抵抗电场力，从而提高了电能，如图1(b)所示。从微观上，在EAP薄膜紧缩弛豫时，弹性体材料薄膜厚度增加，异性电荷在此过程中被推离，而同性电荷则被压缩靠近，此时弹性体材料的电荷电压就被提高了。
图1 EAP发电原理
如图2所示为EAP机械能转化为电能的实验总体方案，实验设备安装在固定工作台上，EAP左侧与固定板连接，右侧与拉力传感器连接，而拉力传感器则与伺服电动缸相连接，工作台上固定伺服电动缸，与此同时，直流偏置高压电源连接EAP前后两电极。电容测试仪与EAP上下两表面的电极分别连接，PC机连接电容测试仪，在EAP材料拉伸过程中，当EAP处于不带电状态下材料电容变化值会时时采集。拉力传感器与放大器连接，放大器一端需要开关电源提供5V 电压，一端与USB数据采集器连接，数据采集器直接与PC连接。伺服电动缸与伺服驱动器连接，P62转接板、开关电源与伺服驱动器连接，运动控制卡与P62转接板连接，运动卡与PC机连接，最终通过VB程序对伺服电动缸进行控制。
图2 EAP机械能转化为电能的实验总体方案
根据EAP机械能转化为电能的实验总体方案设计要求，需要对伺服电动缸的运动速度、位移、循环次数进行控制，同时还需要采集EAP机械能转化为电能过程中弹性体薄膜上下两表面电压的变化，电容值变化，拉伸过程中材料自身张力变化等。基于以上要求，为及时设置实验装置各项参数，需要进行实验台软件部分设计与开发，以精确调整实验装置各项参数，通过VB程序进行设计，把相关参数通过VB窗口显示，使测试结果更加形象直观[6]。
3.1 单轴数字式伺服控制系统
伺服电动缸运动过程是通过脉冲和方向信号进行控制的，可以用MPC08卡来实现对伺服电机系统的控制[7]。MPC08与伺服系统之间的连接方法，以单轴伺服控制系统为例简要说明。系统所需配置如下。
(1) 使用MPC08控制卡。
(2) 单轴数字式伺服控制系统：可以采用松下MINAS A4系列全数字式交流伺服系统任意型号。
(3) 使用24DCV(1A)，5DCV(1A)直流开关电源。
控制电路的接线图如图3所示。
图3 接线图
3.2 基于VB运动控制系统的开发
利用 MPC08的动态链接库(DLL)，基于Windows系统开发运动控制系统。选用的开发工具应支持Windows标准的32位DLL调用，使用的MPC08 动态链接库是标准的 Windows 32 位动态链接库。以下是基于Windows 系统下利用Microsoft Visual Basic工具开发运动控制程序[8]。
基于EAP机械能转化为电能的总体方案，用户可以通过Windows系统，使用VB5.0以上版本，设计与开发VB控制程序。
根据VB教材编写界面程序，其中包含按钮、对话框以及菜单等编写。对于熟悉MPC08运动函数库和VB的开发者来说，一个由命令按钮和输入框组成的简单运动程序，可以在短时间内开发出来。
函数声明和函数调用是在 VB 中的调用动态链接库(DLL)中进行。
函数声明，MPC08.bas文件中包含了每一个动态链接库(DLL)中函数在 VB 中的声明，用户只需要将该文件添加进VB工程中即可，该文件可在MPC08 板卡应用程序安装目录“MPC08SPDevelopVB”文件夹下找到。
在对函数进行调用过程中，若要得到函数的返回值，则按如下方法调用：
Dim rtn As Long
rtn=con_pmove(1，2000)
如果调用函数的返回值为空或不需要返回值，则按如下方法调用：
Call con_pmove(1,2000)或con_pmove1，2000
在函数描述中所有long型和int型参数及返回值都采用Long 型数据类型，而在传递的参数数据类型及接收返回值的变量类型应与函数声明数据类型一致。同时，Form1作为默认设计窗体，可编写程序代码，图4所示为VB的编程窗口。
图4 VB的编程窗口
EAP机械能转化为电能实验所需考虑物理量有：伺服电动缸来回拉伸长度、伺服电动缸来回拉伸次数、伺服电动缸拉伸速度等。根据实验方案所需的物理量，依据VB编程工具来设计程序，VB程序手动参数输入界面如图5所示。每次在做实验的同时，不仅需要对实验的电压、电容、张力、位移等参数进行置零，还要对电压、电容、张力、位移等参数灵敏度进行设置，利用VB工具来设计程序，界面如图6所示。
图5 VB参数设置 图6 参数灵敏度设置
同时，也可以通过VB程序开发手动设置程序，手动输入伺服电动缸主轴运动的速度参数、位移，界面如图7所示。
图7 VB手动输入参数 图8 实验台工作界面
由基于EAP机械能转化为电能实验装置方案可知，使用VB程序进行设计，对各参数进行设置并在VB窗口中显示，可以使测试的结果更加形象直观，工作界面如图8所示。
综上所述，为了分析EAP机械能转化为电能的影响因素，需要对伺服电动缸的运动速度、位移、循环次数进行控制，同时还需要采集EAP机械能转化为电能过程中弹性体薄膜上下两表面电压的变化，电容值变化，拉伸过程中材料自身张力变化等。根据EAP机械能转化为电能的实验要求，利用VB程序实现对EAP机械能转化为电能实验平台软件的设计与开发，通过VB界面可以实现EAP拉伸速度、拉伸长度以及拉伸循环次数控制、电容变化数据采集、弹性薄膜表面张力数据收集等，从而为后续EAP机械能转化为电能的影响因素实验研究提供支持。
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