自感测介电弹性体装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 介电弹性体装置OED)，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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 然而，此类系统以及方法存在几个潜在的缺点。
[0011] 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。
[0012] 其次，所述方法不能容易地应用以在DEG系统中实施自感测。例如， W02010/095960的方法以及系统要求DEA的电压至少在自感测期间振荡。此振荡可以通过 振荡高压电源提供，或者使用高压开关以快速使DE致动器充电/放电来提供。因此，自感 测方法引起跨越DEA的小范围的电压振荡同时致动DEA。DEA对所引起的纹波的响应使得 能够导出其应变状态以及电气状态。
[0013] 然而，DEG发电机操作起来与DEA略为不同，并且用于控制DEG的控制电路/控制 策略并不利于现有技术的DEA自感测系统以及方法。
[0014] DEG通过增加储存于其中的电势能来产生电能。实现此的步骤在图1中以图解形 式示出。从图1的顶端开始，首先通过拉伸DEG 11将机械能10施加至所述DEG。这引起 电极12的平面膨胀以及膜13的正交压缩，从而导致增加的电容。随后通过从电源（未示 出）充电或起动将电能14输入到DEG，使得相反的电极12变得带相反电荷。松开DEG将 由于其平面收缩通过迫使相反电极12上的相反的电荷（+以及-)分开，并且迫使每一电极 12上相同的电荷靠得更近而将机械能转换成电能。获取电能14并且重复所述周期。
[0015] 为了提供起动电荷，DEG系统优选地包括例如由第WO 2011/005123号国际专 利公开案所揭示的自起动电路。然而，自起动电路在高压电源与DEG之间不提供如TO 2010/095960的自感测DEA方法所需的恒定连接。
[0016] 发明目标
[0017] 因此，本发明的目的是提供一种自感测DED系统和/或一种用于DED自感测的方 法，所述系统和/或方法克服或至少改善现有技术的一或多个缺点，或替代地至少为公众 提供有用的选择。
[0018] 本发明的其它目的将从以下描述中变得显而易见。
【发明内容】
[0019] 在第一方面中，本发明可以广义地说在于一种自感测介电弹性体装置OED)电 路，其包括：
[0020] 第一 DED，所述第一 DED耦合到或适合于耦合到第一电压源上；
[0021] 电流传感器，所述电流传感器与第一 DED串联设置；以及
[0022] 振荡信号源，所述振荡信号源耦合到第一 DED上并且适合于造成跨越DED的电压 中的振荡，其中所述振荡信号源从第一电压源去耦。
[0023] 在振荡信号源与第一 DED之间的耦合可以是或者直接或者间接的。
[0024] 第一电压源可以例如适合于提供致动信号或起动信号并且可以进一步适合于选 择性地从DED吸收电流。
[0025] 优选地，振荡信号源是接地信号源。
[0026] 优选地，振荡信号源耦合到第一 DED的低压电极上。更确切地说，振荡信号源优选 地与DED以及电流传感器串联设置，并且更优选地耦合在电流传感器与地面之间。在此实 施例中，第一 DED的高压电极耦合到或适合于耦合到第一电压源上。
[0027] 替代地，振荡信号源可以耦合到与第一DED并联设置的电容器的低压电极上。更 确切地说，振荡信号源优选地设置在电容器的低压电极与地面之间，振荡信号源以及电容 器共同地与DED并联设置。
[0028] 优选地，电流传感器耦合到DED的低压电极上。
[0029] 优选地，振荡信号源产生正弦或方波振荡信号。然而，可以替代地使用任何其它合 适的振荡信号波形。
[0030] 优选地，DED包括介电弹性体发电机（DEG)。在这种情况下，第一电压源优选地适 合于选择性地向DED提供电流/从DED吸收电流，以对应地使DED起动以及放电。
[0031] 替代地，DED可以包括介电弹性体致动器（DEA)。在这种情况下，第一电压源适合 于向DEA提供致动信号。致动信号一般来说将是比振荡信号高得多的电压。
[0032] 优选地，电路进一步包括与第一 DED并联设置的电压传感器。
[0033] 优选地，电路包括各自与第一 DED并联设置的一或多个另外的DED，以及与所述一 或多个另外的DED中的每一者串联设置的另一个电流传感器。
[0034] 替代地，电路可以包括各自与第一 DED串联设置的一或多个另外的DED。优选地， 另一个电压传感器耦合到一或多个另外的DED中的每一者的高压电极上。
[0035] 优选地，所述或每一电流传感器包括设置在耦合到差分放大器上的一对端子之间 的串联电阻器。
[0036] 优选地，电压传感器包括分压器。
[0037] 优选地，振荡信号源不具有直流偏移。
[0038] 在第二方面中，本发明可以广义地说在于一种自感测DED系统，所述自感测DED系 统包括根据本发明的第一方面的自感测DED电路。
[0039] 优选地，DED包括DEG，并且所述系统进一步包括与自感测DED电路并联设置的电 荷控制电路。确切地说，电荷控制电路优选地包括自起动电路。
[0040] 替代地，DED可以包括DEA，并且所述系统进一步包括与自感测DED电路并联的第 一电压源以选择性地致动DEA。
[0041] 优选地，所述系统进一步包括以通信方式耦合到所述或每一电流传感器上的计算 装置。所述计算装置优选地还以通信方式耦合到所述或每一电压传感器上。
[0042] 优选地，计算装置适合于接收来自至少所述或每一电流传感器的测量结果，并且 至少部分基于所接收的测量结果来计算关于DED的状态的至少一个反馈参数。优选地，反 馈参数指示DED的面积、变形、电容、充电电流和/或泄漏电流中的一或多者。
[0043] 优选地，计算装置适合于通过平面近似法、并且尤其是超平面近似法来计算至少 一个反馈参数。
[0044] 在第三方面中，本发明可以广义地说在于一种介电弹性体装置（DED)自感测方 法，所述方法包括以下步骤：
[0045] 向第一 DED提供振荡电压，所述振荡电压从也耦合到DED上的第一电压源去耦；
[0046] 接收与第一 DED串联的电流的测量结果；以及
[0047] 至少部分基于电流测量结果来计算关于第一 DED的状态的至少一个反馈参数。
[0048] 优选地，振荡电压是接地振荡电压信号。
[0049] 优选地，振荡电压是独立于通过第一电压源供应的高压信号的低压信号。
[0050] 优选地，向第一 DED提供振荡电压的步骤包括