CN110337731A - 基于电活性聚合物的致动器和传感器设备 - Google Patents

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Abstract

利用致动信号对电活性材料致动器和传感器进行致动，该致动信号具有用于对致动器充电的激活时段和用于使致动器放电的去激活时段。通过感测激活时段期间的稳态电流来确定致动器的并联电阻，并且基于在激活时段开始时致动器的充电期间的电荷流量来确定致动器的串联电容。通过利用振荡轮廓控制通过致动器的电流来获得串联电阻，使得能够测量致动器的电流与电压之间的相位关系。振荡电流吸收器用于实现电路部件测量，这实现了感测功能。

Description

基于电活性聚合物的致动器和传感器设备
技术领域
本发明涉及利用电活性材料进行致动和感测的致动器/传感器设备。
背景技术
电活性材料(EAM)是电响应材料领域中的一类材料。当其在致动设备中实施时，使EAM经受电驱动信号能够使其改变尺寸和/或形状。这种效果能够用于致动和感测目的。存在无机EAM和有机EAM。一种特殊的有机EAM是电活性聚合物(EAP)。
电活性聚合物(EAP)是一类新兴的电响应材料。像EAM这样的EAP能够用作传感器或致动器，但是也能够被更容易地制造成各种形状，从而允许被容易地集成到各种各样的系统中。EAP的其他优点包括功率低，外形小，灵活，操作无噪声，准确、可能实现高分辨率，响应时间快速以及循环驱动。基于电致动，EAP设备能够用于期望部件或特征发生小量移动的任何应用中。类似地，该技术能够用于感测小的移动。EAP的使用使得能够实现以前不可能实现的功能，或者提供了优于普通传感器/致动器解决方案的巨大优势，这是因为与普通致动器相比，在小体积或薄外形的情况下结合了相对较大的变形和力。EAP还提供无噪音操作，准确的电子控制，快速响应以及大范围的可能致动频率(例如，0-20kHz)。
作为如何能够构造和操作EAM设备的示例，图1和图2示出了EAP设备的两种可能的操作模式，EAP设备包括夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间的电活性聚合物层14。图1示出了未被夹紧到载体层上的设备。如图所示，使用电压使电活性聚合物层在所有方向上扩展。图2示出了被设计为使得仅在一个方向上产生扩展的设备。为此，图1的结构被夹紧或被附接到载体层16。使用电压使电活性聚合物层弯曲或屈曲。这种移动性质源自于在被致动时发生扩展的主动层与不发生扩展的被动载体层之间的相互作用。
对于某些类别的EAM，向设备施加小的力(机械负载)会生成响应的电信号。这允许单个EAM结构既用于致动又用于感测。这种双重功能是有益的，因为不需要两个单独的部件(用于致动和感测)，因此节省了成本和尺寸。
感测能够例如用于确定作用在设备上的压力或力，或者感测能够用于以反馈方式控制致动水平。
电活性材料致动器的感测能力基于电复合输入阻抗的确定。
已知的基于EAM的致动器/传感器通常提供感测功能和致动功能，所述感测功能和致动功能要么在物理上彼此分开(其中，设备的不同区域或部分用于感测和用于致动，例如单独对每个区域或部分提供电连接)，要么在时间上彼此分开(其中，单个设备在感测功能与致动功能之间按顺序交替)。例如，US 2014/0139329公开了一种EAP系统，其包括感测电路、致动电路和开关电路。感测电路适于在EAP变形时检测来自EAP的信号。然后，开关电路随后才激活致动电路，使得致动电路能够基于感测输入来生成致动。因此，感测和致动在时间上彼此分开：感测和致动按顺序发生，一个接着一个地发生。
最近，已经提出了使用同一设备同时进行感测和致动。举例来说，申请人已经提出(但尚未在本申请的优先权日期公布)能够同时进行致动和感测的设备。第一控制信号用于对设备的致动，而第二控制信号用于对设备的感测。第二感测信号是被选择为使得能够根据电感测信号确定致动器的机械共振的AC电信号。第一致动信号能够是适合于引起致动的任何类型的控制信号。
致动信号和感测信号能够被叠加以形成组合控制信号。当以与EAM结构的机械共振频率或其谐波中的一个谐波匹配的频率施加感测信号时，在该结构中建立机械驻波，进而影响该结构的电特性。特别地，由于机械振动与感测信号同相，因此对于与共振频率匹配的感测信号(并且因此对于控制信号的那部分)，该结构的阻抗较低。相反，由于机械振动与感测信号异相，因此对于与材料的反共振频率匹配的感测信号，该材料的阻抗较高。能够看到，在这样的频率下，感测非常有效，同时它不会干扰长期同时的致动。
施加到电活性材料结构的任何机械载荷(例如，压力)可能引起该结构中的阻尼，引起该结构的共振频率(和反共振频率)从普通的无阻尼值移位，从而引起高频感测信号与机械振动的基频(或者在反共振匹配的情况下为反共振的等效物)之间的不一致。因此，能够检测和/或确定共振频率的移位，然后能够将其与外部机械负载进行相关。
US 2002/0130673还提到了借助于在主驱动(致动)信号之上叠加低幅度、高频AC感测信号来实现对聚合物的相同活性区进行组合的感测和致动的可能性。
如果使用电荷感测，则会出现需要高灵敏度电荷放大器的问题，这使得在需要同时进行致动和感测时变得复杂。高频感测信号的使用需要单独的电压发生器来生成供应给感测元件的振荡信号。对不同电压的叠加也需要电路。因此，需要复杂的驱动电路。
使用叠加的AC信号和DC信号的另一个问题是：需要保护高频源免受高压DC工作电压的影响，并且DC发生器需要从AC电源去耦合。因此可能需要庞大且昂贵的DC偏置解决方案。另外，AC调制可能会引起小的振荡，这可能会干扰激活本身。
需要可以利用简化的感测电路来实现同时的感测和致动的设备和操作方法。
发明内容
本发明的目的是至少部分地满足上述需要。该目的通过独立权利要求所限定的本发明来实现。从属权利要求提供了有利实施例。
根据本发明的第一方面的示例提供了一种用于同时进行致动和感测的设备，包括：
电活性材料致动器和传感器部件，其具有第一电阻器与电容器和第二电阻器的串联组合相并联的等效电路；
电极装置；
电流传感器，其用于感测流向所述部件的电流；
电流源，其用于控制通过所述部件的电流；
用于确定所述部件处的电压的器件；
控制器，其适于向所述电极装置提供致动信号，所述致动信号包括用于对所述部件充电的激活时段，
其中，所述控制器还适用于：
通过感测所述激活时段期间的稳态电流来确定所述第一电阻器的电阻；
通过以下操作来确定所述电容器的电容：确定在所述激活时段开始时所述部件的充电期间的电荷流量，并且考虑所述第一电阻器的所述电阻；以及
通过以下操作来确定所述第二电阻器的电阻：在充电或放电期间使用所述电流源控制通过所述部件的电流以具有振荡轮廓，并且确定由所述电流传感器感测的电流与由电压表测量的电压之间的相位关系。
该设备使得能够使用电活性材料部件(例如，电活性聚合物(EAP)致动器)作为传感器元件和致动器，而不需要额外的电压源来生成振荡电压以测量部件的输入阻抗(的变化)。通过使用振荡电流吸收器，不需要庞大且昂贵的DC偏置块和AC耦合部件，这是因为电流源可以被简单地实施为可控晶体管电路。最后，该设备可以提供感测而不会对致动水平本身产生影响。
致动信号优选是电压波形。用于确定电压的器件可以包括用于读取部件处的电压的电压表。然而，电压也可能是已知的，因为电压是由致动信号生成的，因此可能不需要另外的测量。
一旦确定了第一(并联)电阻器值和电容器值，就能够使用相位关系来确定第二电阻器的电阻。
电活性材料致动器和传感器部件可以是场驱动的部件或电流驱动的部件。等效电路基本相同，表示有损电容器。
致动信号优选具有至少0.5秒的激活时段。因此，该设备用于相对较慢的致动变化。这使得该设备能够达到电稳态，从而能够在不受电容影响的情况下测量电阻。激活时段可以是至少1.0秒。
振荡频率相对于激活时段持续时间可以高得多，因此放电时间能够短得多。例如，放电电流可以在f＝1kHz下振荡，需要5个循环来提供放电，因此放电时间为5ms。
在许多应用(例如，导管应用)中，致动不一定要求高速度。
振荡轮廓优选具有至少100Hz的频率，例如，至少1kHz的频率。以这种方式，振荡信号可以具有短持续时间，以便对致动产生的影响最小。振荡信号是唯一不使用正常致动轮廓的测量结果。振荡信号可以限于仅足以确定相位关系的少量循环。
所述振荡轮廓可以具有DC偏压，所述DC偏压用于降低对所述部件的激活或去激活的影响。例如，如果在去激活期间施加振荡轮廓，则可能期望尽可能多地保持激活状态。DC偏压可以用于此目的，使得仅发生部件的部分机械去激活而使得能够确定相位关系。
振荡轮廓可以具有随时间变化的频率。这可以用于实现确定共振响应。将对整个电路检测这种共振。进行共振频率测量以及相位角测量。可以由控制电流吸收器的微控制器(例如，晶体管或晶体管电路)经由数模转换来实施可变频率电流吸收器。
如上所述，所述控制器可以适于确定在放电期间所述第二电阻器的电阻。然而，替代地，所述控制器可以适于确定在充电期间所述第二电阻器的电阻。例如，致动信号的部分可以包括没有电流控制的部分(用于稳定阶段测量)，并且致动信号的部分可以包括具有电流控制的部分。
所述控制器还可以适于根据所确定的电阻和电容来确定所述部件处的外力、压力或温度。
根据本发明的另一方面的示例提供了一种用于使用电活性材料致动器和传感器部件同时进行致动和感测的方法，所述电活性材料致动器和传感器部件具有第一电阻器与电容器和第二电阻器的串联组合相并联的等效电路，所述方法包括：
向电极装置提供致动信号，所述致动信号包括用于对所述部件充电的激活时段，
通过感测所述激活时段期间的稳态电流来确定所述第一电阻器的电阻；
通过以下操作来确定所述电容器的电容：确定在所述激活时段开始时所述部件的充电期间的电荷流量，并且考虑所述第一电阻器的所述电阻；
通过以下操作来确定所述第二电阻器的电阻：在充电或放电期间控制通过所述部件的电流以具有振荡轮廓，并且确定感测的电流与电压之间的相位关系。
该方法使得能够以简单的方式确定部件的电特性，而不会影响所期望的致动。这些特征表示被感测的外部属性(例如，温度、力或压力)。
所述方法可以包括生成频率至少为100Hz，例如至少为1kHz的振荡轮廓。所述振荡轮廓可以具有DC偏压，所述DC偏压用于减小对所述部件的激活或去激活的影响。所述振荡轮廓可以具有随时间变化的频率。确定第二电阻器的电阻可以在充电或放电期间进行。
附图说明
现在将参考附图来详细描述本发明的示例，在附图中：
图1示出了未被夹紧的已知的电活性聚合物设备；
图2示出了受到背衬层的约束的已知的电活性聚合物设备；
图3示出了EAP致动器和传感器系统；
图4示出了未激活的EAP的典型的电气等效电路；
图5示出了建模软件中的EAP的等效电路的电气方案；
图6示出了模拟结果，该模拟结果示出了EAP两端的电压以及通过EAP的电流；
图7示出了图6的部分波形的放大视图；
图8示出了提供图3电路功能的电路模拟；
图9示出了致动信号的时序；
图10示出了EAP两端的模拟电压以及电流响应；
图11示出了电荷流量；
图12示出了放电行为；
图13示出了图12的部分波形的放大视图；
图14示出了在替代的测量方法中的EAP致动器上的充电水平；并且
图15示出了感测和致动方法。
具体实施方式
本发明提供了具有传感器功能的电活性材料致动器，该电活性材料致动器是利用致动信号来致动的，该致动信号具有用于对致动器充电的激活时段，并且任选地还具有用于使致动器放电的去激活时段。通过感测激活时段期间的稳态电流来确定致动器的并联电阻，并且基于在激活时段开始时致动器的充电期间的电荷流量来确定致动器的串联电容。通过利用振荡轮廓控制通过致动器的电流来获得串联电阻，使得能够测量致动器的电流与电压之间的相位关系。振荡电流吸收器用于实现电路部件测量，这实现了感测功能。
图3示出了EAP致动器22，其包括夹在两个电极之间的上EAP材料层24。夹层被设置并附接在下载体层26的顶部。电极被电连接到电流传感器30以用于感测流到致动器的电流，电极被电连接到电流源32以用于控制通过致动器的电流(特别是放电电流)，任选地，电极被电连接到电压表34以用于读取致动器处的电压，并且电极被电连接到控制器36。控制器36向电极装置提供致动信号，该致动信号包括用于对致动器充电的激活时段和用于使致动器放电的去激活时段。
本发明基于的思想是确定致动器的电特性以提供感测功能，特别是复阻抗功能。
图4示出了未激活的EAP的典型的电气等效电路。该电路是与第二并联电阻器(Rp)并联的，第一电阻器(Rs)和电容器(Cs)的串联电路。在简化版本中，该等效电路能够被转换成电阻(R)与电容(C)的串联电路，如图所示。举例来说，电路部件值为Rp＝10MΩ，Rs＝80kOhm，Cs＝800nF。
简化的等效电路的实部(R)和虚部(XC＝1/ωC)能够借助于电压分布以及电压与通过两个部件的公共电流之间的相移来计算。因此，通过电流测量和电压测量，能够获得电阻R和电容C。然而，这并未给出完整(3部件)等效电路的所有参数，因此需要额外的测量，这将在下面进一步进行解释。
首先将定义电路参数：
复阻抗 Z＝Re{Z}+j·Im{Z} 公式1
电阻 R＝Re{Z} 公式1
电抗 X＝Im{Z} 公式2
电抗
相位角
根据上面的定义，复阻抗由其实部(R)和虚部(X)以及这两个值之间的相移来定义。所有三个参数也能够被写为图4的完整等效电路的单个值(Rs、Xs和Rp)的函数。
完整等效电路的复阻抗为：
复阻抗
通过将公式6分成其实部和虚部：
电阻
电抗
给出相移为：
相位角
最后，电路的复阻抗的幅值能够被计算为|Z|＝81.781kΩ。
在阻抗测量期间，生成已知电压以施加通过EAP部件的电流。基于测量的电流(其通常被测量为串联电阻器两端的电压降)和电流与电压之间的相移，能够计算阻抗。
现在将示出如何使用应用于图4的电路的测量值来获得所有三个部件值，而不是仅仅获得R和C的简化值。
对于该评估，恒定的正弦电压被认为是|Vosc|＝10V，其振荡频率为f＝10Hz。借助于测量，定义电流|I|和相移(|V部件|与|I|之间的相移)。这两个值通常是通过在要测量的阻抗上串联添加一个小电阻来测量的。
然后，已知所有必需值来计算简化的等效电路的参数：
阻抗
电阻
电抗
然而，需要额外的信息来导出完整等效电路的部件值。从简化的等效电路到图4的详细电路的转换通常是通过调查频率行为和数值拟合方法(在不存在分析解决方案的情况下)或者通过测量DC电压/电流下的电阻(阻抗)(这引起在电容完全充电后没有通过电抗部分的电流)来执行的。
现在将使用电路模拟来示出能够如何使用本发明的方法来获得所需的额外信息。该模拟首先表示借助于对EAP两端的电压测量和对通过EAP的电流测量而实现的标准阻抗测量技术，并且利用进一步的振荡电流测量来扩展这些测量。
图5示出了基于建模软件中的EAP的等效电路的电气方案。EAP致动器的完整等效电路是由通过测量电阻器Rm的电压源50来驱动的。
如上所述，EAP由AC电压源50来操作，生成10Vpp的正弦电压，频率为10Hz。图6示出了对应的模拟结果，该模拟结果示出了EAP两端的电压(标绘图60)以及通过EAP的电流(标绘图62)。
通过实施如上所述的计算，能够确定该电压和电流的幅值以及它们的相移。利用这些值，可以完全定义复阻抗。图7示出了部分波形的放大视图。
这些数值是：
相移
电抗X＝19.581kΩ
电阻R＝79.404kΩ。
这表明波形分析能够正确地确定(简化的)等效电路的部件值。与分析结果的微小差异基于模拟中的数值效应。然而，仅获得了简化电路的复阻抗，而为了从总复阻抗中分离出串联电阻值、并联电阻值和电容值，需要进一步努力。
本发明提供了确定完整等效电路参数以获得对EAP性能的最全面的概览的设备和方法。
上文已经表明，电路模拟能够用于定义实部和虚部以及复阻抗的相移，这些参数也可以在实践中通过测量EAP致动器和传感器部件两端的电压和通过EAP致动器和传感器部件的电流来获得。
图8示出了用于实施本发明的电路(即，图3)和测量方法的电路模拟。
该电路包括被连接到理想驱动器输出端子的EAP致动器的等效电路。驱动器输出端子连接到接通开关80以用于将工作DC电压Vdc(例如，200V)耦合到端子，并且驱动器输出端子还连接到断开开关82以用于将接地耦合到端子以关闭EAP致动器。恒定DC驱动电压(Vdc)以及开关的数字控制(Von、Voff)被建模为理想电压源。
放电支路包括(理想的)电流吸收器84(或对应的可变电阻)和任选的放电电阻器Rm。
放电支路实施正弦放电电流波形，其在模型中通过数字信号(Vsens)来实施。
整个电路的控制方式是0.5秒后EAP将被激活1.0秒。在1.0秒的下一时隙期间，EAP经由放电支路被去激活(放电)。
图9以图形方式示出了时序。标绘图90示出了由两个开关80、82施加到端子的电压，并且标绘图92示出了用于控制在放电路径中流动的电流的电压Vsens。该电压Vsens可以简单地被认为是激活信号并且将在下面进行解释，它引起施加特定的电流波形，例如，特定电流和频率的振荡电流波形。
通常，确定EAP致动器的完整等效电路参数的建议流程包括三个步骤：
1、计算并联电阻Rp，同时不断致动EAP部件。具体地，第一电阻器Rp的电阻是通过感测激活时段期间的稳态电流而导出的。
2、经由对稳态操作期间的电荷计算来确定串联电容。具体地，通过确定在激活时段开始时致动器的充电期间的电荷流量并考虑第一电阻器Rp的电阻来导出电容器的电容。
3、定义串联阻抗的相移，同时对部件进行(准)线性充电或放电。线性充电或放电具有恒定电流。替代地，使用振荡的充电或放电电流，但其具有恒定的幅值，即，恒定的AC电流。以这种方式，通过在充电或放电期间使用电流源控制通过致动器的电流以具有振荡轮廓并确定所感测的电流与电压之间的相位关系来获得第二电阻器Rs的电阻。
下面将进一步详细说明这三个步骤。
在恒定致动EAP时获得并联电阻Rp。当EAP致动器的固有电容Cs完全充电时，恒定电流仅流过并联支路，受并联电阻Rp的限制。因此，能够通过将所施加的电压除以实际电流来计算该电阻。在任何情况下，控制器都知道所施加的电压。因此，只需要通过测量来定义恒定电流。当电流恒定时，能够容易地测量该电流，在当前示例中，该电流在大约1秒(即，0.5s)之后进入激活时段。
图10示出了EAP两端的模拟电压(标绘图100)以及电流响应。电流在等效电路的两个并联支路中流动，其中，电容器支路电流(标绘图102)以指数方式衰减，并且并联电阻器支路电流(标绘图104)在激活期间(在时间0.5s至1.5s之间)是恒定的。注意，图10示出了乘以10的并联电阻器电流以使其可见。
恒定电流为20μA。因此，并联电阻Rp能够被计算为200V/20μA＝10MΩ。
注意，可以基于评价电荷流量来测量流过第一电阻器Rp的并联电流。这可能是有意义的，因为电荷相关数据在任何情况下都用于确定电抗XCs，如下文所述。当然，可以将电荷流量测量为瞬时电流的时间积分。
感兴趣的是被递送到EAP的电荷，该电荷由流过部件的电流的时间积分来定义。在数学上这是根据公式12来描述的。
电荷
图11示出了电荷流量。在t＝1s时，电荷为Qtot＝169μAs。在激活期间，电荷也流过并联电阻Rp。能够从总电荷中减去这些电荷，以便确定被存储在电容中的电荷。
能够容易地计算通过并联电阻Rp的电荷流量，因为已经确定了并联电阻，其在该示例中为10MΩ。
0.5s后的电流为20μA，因此在此期间的电荷流量为QRp＝20μA×0.5s＝10μAs。因此，被递送给电容的电荷是QCs＝169μAs-10μAs＝159μAs。由于施加了恒定电压，因此能够根据公式14来计算电容(对于变化的电压，需要考虑积分定义)：
电荷 Q＝C·V 公式13
因此，能够将电容计算为Cs＝159μAs/200V＝795nF。这非常接近800nF的实际值。仅0.6％的差异基于数值模拟精度。
基于795nF的电容，能够根据公式4来计算10Hz下的电抗XC。这使得XC为20.019kΩ。
串联电阻和并联电阻以及电容Cs可以在制造之后已经被预定义为频率的函数，并且也可以在不同的负载条件下被预定义。查找表可以例如用于将测量值转换为被感测的外力。
最后，为了获得串联电阻Rs，在对部件进行线性放电或充电的同时测量串联阻抗的相移。
在第一示例中，使用循环的放电部分。因此，放电支路用于此目的，特别是1.5s和2.5s的时间戳之间的电路行为。在该时间段期间，在信号Vsens的控制下，EAP致动器以受控方式放电。
因此，设计或控制放电电流吸收器，使得从EAP致动器汲取100μA的恒定AC电流。
图12示出了这种放电行为。标绘图120示出了致动器两端的电压Veap，而标绘图122示出了放电电流，即，通过电阻器Rm的电流。标绘图124是下面解释的另外的人工补偿电压。
图13示出了1.5s至2.5s之间感兴趣时间范围的放大视图。为了进一步定义等效电路参数，需要确定电压与放电电流之间的相移。
从图13中能够看出，EAP两端的电压120作为时间的函数而减小。因此，电压与电流之间的相移将会失真。然而，由于(几乎)线性的电压降低行为(时间常数τ非常大)，这种降低能够通过m·x+b类型的简单数学公式来补偿，而b的最大电压为200V并且m是电压降低的(负)斜率，即，(119V－200V)/1s＝－81V/s。这产生补偿电压波形124。
然后能够确定电压与电流之间的相移，并且在该示例中，这产生13.98°。
对电压降低的斜率的确定可以在应用本身中执行，或者可以作为校准流程的部分在应用之前执行，刚好在制造之后执行，或者刚好在实施之前执行。
对电压降低的斜率的确定也可以按需完成。例如，可以在去激活循环的前半部分期间(例如在0.5s之后)计算斜率，然后可以在去激活循环的后半部分期间计算所需的相移。
因此已知电抗和相移，使得也能够根据公式5来计算串联电阻。在该示例中，它给出Rs＝80411kΩ。
在导出等效电路参数之后，可以在这些参数和要感测的外部信号之间进行映射。外部信号可以是压力或力，或者可以是温度。
在(例如用于为系统数据表提供信息的)校准或表征流程期间，将具有不同负载、力、压力和/或温度的若干致动水平应用于EAP，并且通过已知方法(例如使用阻抗分析仪)来识别等效电路参数。可以将结果存储在查找表中(并且可以通过插值找到缺失的条目)，或者可以从数据导出分析拟合函数。当然，这样的表具有的条目越多，精度就越高。
可以在一个固定频率下执行该确定，其中，10Hz仅是示例。
在校准或表征阶段的参数变化期间，也可以导出共振频率并将其存储在查找表中。在稍后的应用期间，致动水平是已知的，并且然后还可以确定特定(已知)的共振频率下的等效电路参数。
EAP传感器/致动器响应于施加的力的电属性的变化是众所周知的。关于温度测量，申请人已提出但尚未公布使用EAP致动器在不同的第一频率和第二频率下测量电特性。根据该测量，可以获得电活性材料设备处的温度和施加到电活性材料设备的外部压力或力。这意味着传感器能够用作用于负载感测的压力传感器(例如，皮肤接触压力传感器)和温度传感器。该方法基于在低频或DC致动信号上叠加高频感测信号。通过提供对两个或更多个频率的感测，能够检测机械共振频率的温度效应，因此能够确定温度。
本发明实现了通过使用不同的频率振荡电流波形来获得不同频率下的阻抗。
在稳态行为期间获得并联电阻Rp和串联电容Cs。最重要的参数是串联电阻Rs，其频率行为也被确定。对于根据外部施加的力或压力进行阻尼的机械系统，该阻尼直接影响Rs的值。对并联电阻Rp和串联电容的影响的显著性是次要的，因此可以忽略它们。
振荡电流的控制方式有多种选择。在上面的示例中，提供EAP设备的限定和受控的振荡电流放电，以便确定电压与电流之间的相移，并且最终计算复阻抗。该计算可以依赖于先前获得的参数，该参数要么是在放电时段之前执行的参数，要么作为校准的结果。
放电测量需要去激活致动器。通常，例如在循环操作中将存在去激活时段。如果所需的去激活时段比致动方案所期望的时段更长，则该方法可能引起应用中的不希望的行为。然而，只需要几个振荡循环，如果选择高频(例如，1kHz，或者甚至在MHz范围内——在该范围内EAP机械响应无法跟随)，则去激活阶段可能非常短，因此在应用本身中将不识别振荡。
如果期望EAP感测能力但没有任何去激活，则可以实施如上所述的高频信号。此外，可以通过向放电振荡添加DC偏压来减小放电。这有助于尽可能地保持致动状态。
如上文所讨论的，EAP设备的共振行为对于确定压力、力或温度是有意义的。然而，为了检测共振频率或反共振频率，需要确定作为频率的函数的复阻抗。因此，可以通过在去激活阶段期间使用频率扫描来扩展所提出的流程。如上所述，可以在应用之前基于设备的尺寸或者通过在不同负载条件下的校准测量来定义近似的共振频率和反共振频率。
在一组不同的示例中，可以提供振荡电流作为激活循环的部分。在这种情况下，可能存在三阶段充电循环。如上所述，可以根据稳态行为来获得并联电阻。如上所述，也可以根据充电过程的电压控制部分期间的充电行为来获得电容。然而，然后可以根据充电循环的电流控制部分来计算串联电阻。对于前两次测量，EAP致动器可以被驱动到低于最终电压的电压，然后利用电流控制进行最终致动驱动以确定串联电阻。
图14示出了这种方法中的EAP致动器的充电水平。
另一种替代方法是提供连续的低频充电或放电恒定电流。这可以在EAP致动器的准静态致动时间期间使用。这提供了一种混合方法，不需要调制驱动信号，而是在不同时间之间进行稳态测量，例如在某个等待时段之后进行稳态测量，或者在已经识别出任何变化时进行稳态测量。
图15示出了使用电活性材料致动器和传感器部件同时进行致动和感测的方法。该部件具有第一电阻器Rp与电容器Cs和第二电阻器Rs的串联组合相并联的等效电路。该方法包括：
在步骤150中，向电极装置提供致动信号，该致动信号包括用于对部件充电的激活时段，
在步骤152中，通过感测激活时段期间的稳态电流(I)来确定第一电阻器Rp的电阻。
在步骤154中，通过以下操作来获得电容器Cs的电容：确定在激活时段开始时部件的充电期间的电荷流量(Q)，并且考虑第一电阻器Rp的电阻。
在步骤156中，通过以下操作来确定第二电阻器Rs的电阻：确定在充电或放电期间使用电流源控制通过部件的电流以具有振荡轮廓，并且确定感测电流与感测电压之间的相位关系
虽然在上文的详细描述中已经针对EAP描述了根据本发明的设备和系统的构造和操作，但是本发明实际上也能够用于基于其他种类的EAM材料的设备。因此，除非另有说明，否则上文中的EAP材料能够利用其他EAM材料来代替。这样的其他EAM材料在本领域中是已知的，并且本领域技术人员将知道在哪里找到它们以及如何应用它们。下面将描述多种选择。
通常将EAM设备细分为场驱动的EAM和电流或电荷(离子)驱动的EAM。场驱动的EAM通过直接机电耦合由电场致动，而用于电流或电荷驱动的EAM的驱动机制涉及离子的扩散。后一种机制更常见于对应的有机EAM(例如，EAP)中。虽然场驱动的EAM通常是利用电压信号驱动的并且要求对应的电压驱动器/控制器，但是电流驱动的EAM通常是利用电流信号或电荷信号驱动的，有时要求电流驱动器。这两类材料都有多个家庭成员，每个家庭成员都有其自己的优点和缺点。
场驱动的EAM能够是有机材料或无机材料，并且如果是有机材料的话其能够是单分子、低聚物或聚合物。对于本发明，它们优选是有机材料，然后也优选是低聚物或者甚至是聚合物。有机材料(特别是聚合物)是一类越来越受到关注的新兴材料，因为有机材料将致动属性与诸如重量轻，制造便宜和易于加工的材料属性相结合。
场驱动的EAM以及因此EAP通常是压电材料并且可能是铁电材料，因此包括自发的永久极化(偶极矩)。场驱动的EAM以及因此EAP也可以是电致伸缩材料，因此在被驱动时仅包括极化(偶极矩)，但在未被驱动时则不包括极化(偶极矩)。或者，场驱动的EAM以及因此EAP是介电弛豫材料。这样的聚合物包括但不限于以下子类：压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物、弛豫铁电聚合物、介电弹性体、液晶弹性体。
缺乏自发极化意味着电致伸缩体即使在非常高的操作频率下也几乎不显示滞后损失。然而，这些优点是以温度稳定性为代价获得的。在温度能够被稳定在大致10℃以内的情况下，弛豫体最佳运行。乍一看这似乎是极其受限的，但鉴于电致伸缩体在高频率和非常低的驱动场中表现优异，因此应用趋向于专门的微型致动器。这样的小型设备的温度稳定性相对简单，并且在整个设计和开发过程中通常只表现出小的问题。
优选地，EAM材料或EAP材料是电致伸缩聚合物。更优选地，EAM材料或EAP材料是弛豫铁电材料。这种材料能够具有足够高的电致伸缩常数以用于实际应用，即，有利于同时进行感测功能和致动功能。当将零驱动场(即，电压)施加到弛豫铁电材料时，弛豫铁电材料是非铁电体，但在驱动期间变成铁电体。因此，在非驱动时在该材料中不存在机电耦合。当施加驱动信号时，机电耦合变为非零，并且根据上述流程能够通过在驱动信号之上施加小幅度的高频信号来测量机电耦合。此外，弛豫铁电材料受益于非零驱动信号的高机电耦合与良好的驱动属性的独特组合。
最常用的无机弛豫铁电材料的示例是：铌镁酸铅(PMN)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)以及锆钛酸镧铅(PLZT)。但是在本领域中也已知其他无机弛豫铁电材料。
场驱动的EAP的示例是压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物(例如，基于PVDF的弛豫聚合物或聚氨酯)、介电弹性体，以及液晶弹性体(LCE)。因此，优选地，EAP材料是弛豫铁电聚合物，例如，基于PVDF的弛豫铁电基聚合物。这些材料能够是选自下文中的材料组中的任一种材料。
子类电致伸缩聚合物包括但不限于：
聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚氨酯或其共混物。
电流驱动的EAM和EAP包括共轭聚合物、离子聚合物金属复合物、离子凝胶，以及聚合物凝胶。
离子驱动的EAP的示例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合物，以及离子聚合物金属复合物(IPMC)。
子类介电弹性体包括但不限于：
丙烯酸酯、聚氨酯、硅氧烷。
子类共轭聚合物包括但不限于：
聚吡咯、聚-3，4-亚乙二氧基噻吩、聚(对亚苯基硫醚)、聚苯胺。
上述材料能够作为纯材料或作为悬浮在基质材料中的材料而被植入。基质材料能够包含聚合物。
对于包括EAM材料的任何致动结构，可以提供额外的被动层以响应于施加的驱动信号而影响EAM层的行为。
EAP设备的致动装置或结构能够具有一个或多个电极，以用于向电活性材料的至少部分提供控制信号或驱动信号。优选地，该装置包括两个电极。EAP可以被夹在两个或更多个电极之间。这种夹层对于包括弹性体介电材料的致动器装置是必需的，这是因为其致动是由于因驱动信号而彼此吸引的电极所施加的压缩力引起的。两个或更多个电极也能够被嵌入到弹性介电材料中。电极能够是图案化的或者不是图案化的。
基板能够是致动装置的部分。基板能够被附接到EAP和电极之间的电极的全体或者能够被附接到外部电极中的一个电极。
电极可以是可拉伸的，使得它们能够跟随EAM材料层的变形。这对于EAP材料尤其有利。适用于电极的材料也是已知的，并且可以例如选自包括以下项的组：金属薄膜(例如，金、铜或铝)或有机导体(例如，炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)(例如，聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)))。也可以使用金属化聚酯薄膜(例如，金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(例如使用铝涂层))。
例如，将考虑不同层的弹性模量(杨氏模量)来选择用于不同层的材料。
可以使用上文讨论的那些额外的层(例如，额外的聚合物层)来调整设备的电气性能或机械性能。
该设备可以用作单个致动器，或者可以存在设备的线或阵列以例如提供对2D或3D轮廓的控制。
本发明能够应用于许多EAP应用，包括对被动式致动器矩阵阵列感兴趣的示例。
在许多应用中，产品的主要功能依赖于人体组织的(局部)操纵或组织接触界面的致动。在这些应用中，EAP致动器提供独特的益处，主要是因为外形小、灵活且能量密度高。因此，EAP能够被容易地集成在软的3D形状和/或微型产品和界面中。这样的应用的示例如下：
皮肤美容护理，例如基于EAP的皮肤贴片形式的皮肤致动设备，其对皮肤施加恒定或循环的拉伸，以便拉紧皮肤或减少皱纹；
具有患者接口面罩的呼吸设备，其具有基于EAP的活动垫或密封件，以向皮肤提供交变的正常压力，从而减少或防止面部红色痕迹；
带有自适应剃须刀头的电动剃须刀。能够使用EAP致动器调节皮肤接触表面的高度，以便影响紧密度与刺激度之间的平衡；
口腔清洁设备，例如带有动态喷嘴致动器的空气牙线，以改善喷雾的触及范围，特别是在牙齿之间的空间中触及范围。替代地，可以为牙刷提供活动刷毛；
消费电子设备或触摸板，其经由被集成在用户接口中或附近的EAP换能器阵列而提供局部触觉反馈；
具有可操控尖端的导管，其使得能够在曲折的血管中容易地进行导航。
受益于EAP致动器的另一类相关应用涉及光的改变。通过使用EAP致动器进行的形状或位置适配，能够使诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件进行自适应。这里，EAP的益处是例如较低的功耗。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于同时进行致动和感测的设备，包括：
电活性材料致动器和传感器部件(22)，其具有第一电阻器(Rp)与电容器(Cs)和第二电阻器(Rs)的串联组合相并联的等效电路；
电极装置；
电流传感器(30)，其用于感测流向所述部件的电流；
电流源(32)，其用于控制通过所述部件的电流；
用于确定所述部件处的电压的器件(34)；
控制器(36)，其适于向所述电极装置提供致动信号，所述致动信号包括用于对所述部件充电的激活时段，
其中，所述控制器还适用于：
通过感测所述激活时段期间的稳态电流来确定所述第一电阻器(Rp)的电阻；
通过以下操作来确定所述电容器(Cs)的电容：确定在所述激活时段开始时所述部件的充电期间的电荷流量，并且考虑所述第一电阻器的所述电阻；以及
通过以下操作来确定所述第二电阻器(Rs)的电阻：在充电或放电期间使用所述电流源控制通过所述部件的电流以具有振荡轮廓，并且确定由所述电流传感器感测的电流与由电压表测量的电压之间的相位关系。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述致动信号具有至少0.5秒的激活时段。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述振荡轮廓具有至少100Hz的频率，例如，至少1kHz的频率。
4.如任一前述权利要求所述的设备，其中，所述振荡轮廓具有DC偏压，所述DC偏压用于降低对所述部件的激活或去激活的影响。
5.如任一前述权利要求所述的设备，其中，所述振荡轮廓具有随时间变化的频率。
6.如任一前述权利要求所述的设备，其中，所述控制器(36)适于：提供用于使所述部件放电的去激活时段，并且确定在放电期间所述第二电阻器的电阻。
7.如权利要求1至5中的任一项所述的设备，其中，所述控制器适于确定在充电期间所述第二电阻器(Rs)的电阻。
8.如任一前述权利要求所述的设备，其中，所述控制器还适于根据所确定的电阻和电容来确定所述部件处的外力、压力或温度。
9.一种用于使用电活性材料致动器和传感器部件(22)同时进行致动和感测的方法，所述电活性材料致动器和传感器部件具有第一电阻器(Rp)与电容器(Cs)和第二电阻器(Rs)的串联组合相并联的等效电路，所述方法包括：
向电极装置提供致动信号，所述致动信号包括用于对所述部件充电的激活时段，
通过感测所述激活时段期间的稳态电流来确定所述第一电阻器的电阻；
通过以下操作来确定所述电容器的电容：确定在所述激活时段开始时所述部件的充电期间的电荷流量，并且考虑所述第一电阻器的所述电阻；并且
通过以下操作来确定所述第二电阻器的电阻：在充电或放电期间控制通过所述部件的电流以具有振荡轮廓，并且确定感测的电流与电压之间的相位关系。
10.如权利要求9所述的方法，包括生成频率至少为100Hz，例如至少为1kHz的振荡轮廓。
11.如权利要求10所述的方法，包括生成具有DC偏压的振荡轮廓，所述DC偏压用于减小对所述部件的激活或去激活的影响。
12.如权利要求9、10或11所述的方法，包括生成振荡轮廓，所述振荡轮廓具有随时间变化的频率。
13.如权利要求9至12中的任一项所述的方法，还包括：提供用于使所述部件放电的去激活时段，并且确定在放电期间所述第二电阻器的电阻。
14.如权利要求9至12中的任一项所述的方法，包括：确定在充电期间所述第二电阻器的电阻。
15.如权利要求9至14中的任一项所述的方法，包括：根据所确定的电阻和电容来确定所述部件处的外力、压力或温度。
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