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专利名称：离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分析及测量控制技术，具体涉及一种离子聚合物-金属复合 (IPMC)材料的输出力、变形位移及相应响应电流的综合力电性能测试装置和测试方法。
背景技术：
离子聚合物-金属复合(IPMC)材料是一种离子型电致动聚合物，具有质量轻、柔 韧性好、反应迅速和传感-致动的双向可逆功能，可用于制作驱动器等机电换能器件以取 代传统的压电陶瓷，是近二十年来崛起且具有极大应用潜力的新型智能材料。近年来IPMC 材料大量的材料性能实验研究集中在提高其力电性能，在实验中IPMC材料通常被制成细 长条样品，需要准确测量材料的各种力电响应。当作为致动器使用时，其末端输出力和变形位移及其相应的驱动电流是其主要的 性能指标。其中输出力主要通过微力传感器来测量，变形主要方法是采用激光传感器测量， 但是，随着IPMC材料变形性能的逐步提高，通过单点的激光位移传感器无法准确测量其变 形，C⑶拍摄记录仍是一种重要的辅助方法。南京航空航天大学于敏等人申请的中国专利 CN101813533A，专门针对IPMC材料作为致动器时的末端输出力和位移的响应测试建立了 一套整合的实验装置。但是，这套装置无法测量了解IPMC材料的电特性。而当IPMC材料作为传感器使用时，通过给IPMC材料施加给定的位移或者力 载荷，测量其电学响应，主要包括测量其响应的电流(Brunetto Paola, et. Al. IPMCs as Vibration Sensors. IEEE International Instrumentation andMeasurement Technology Conference. 2008 :1541)和电压信号(叶秀芬等，离子聚合物金属复合材料传感特性研究， 功能材料,2009，40 (6) :1017-1022) 另外，由于IPMC材料在水下和空气中性能不同，也需要设计不同的工作环境。目 前IPMC材料性能测试根据实验目的不同，实验装置零散的拼凑在一起，操作起来不方便， 不利于全面了解IPMC材料的力电性能。

发明内容
本发明的目的是提供一种适于测量IPMC材料的综合力电性能的装置，该装置能 够根据实验研究需要，实现IPMC材料在水下和空气中，作为驱动器时其输出力、位移和复 杂变形及相应驱动电流的测试，作为传感器时其输入位移与其对应的响应电流或者电压的 测试。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置，包括基架，其特征在于， 基架上设置有实现传感器垂直位置调整的升降台和实现试样水平位置调整的Y向、X向移 动平台，其中，X向移动平台上设置有可拆卸的试样夹具；升降台上设置有用于传感测量的 谐振位移输入装置、用于试样力电测试的位移传感器和用于试样顶端输出力测试的微力传 感器，试样夹具上方设置有用于试样变形测量的C⑶相机，基架上还设置有用于驱动试样
3位移或形变的功率放大器、用于试样电响应的电流/电压测试板及计算机系统，其中，功率 放大器、电流/电压测试板和试样电连接构成电学性能测试回路；计算机系统通过采集位 移传感器、微力传感器、CCD相机和电流/电压测试板输出测量数据，生成激励信号通过功 率放大器对试样进行测量控制。上述方案中，所述试样夹具由固定夹头和可移动夹头构成，可移动夹头通过套装 弹簧的螺杆由松紧螺帽预紧，固定夹头和可移动夹头之间设有与功率放大器电连接的电极 片，电极片之间夹持试样。.所述电极片采用印刷电路板制成。所述的谐振位移输入装置包括一个连杆和一个由马达驱动的凸轮，凸轮带动连杆 作往复直线运动，连杆末端通过带齿结构卡住试样伸出试样夹具的部分，将往复直线运动 的位移加载到试样上。 所述的电流/电压测试板包含一个放大器A，该放大器A的一个输入端通过单刀双 掷的第一选择开关Si与功率放大器两端及试样一端相连，用于传感/致动特性测量；试样 另一端与放大器A的另一个输入端相连，放大器A两个输入端间设置单刀单掷的第二选择 开关S2和采样电阻Rs用于致动和传感特性的电流/电压测量；放大器A的输入输出端之 间跨接有第三单刀多掷选择开关S3，该选择开关S3通过多个不同阻值的电阻用于改变放 大器A的放大倍数。利用本发明的IPMC材料力电性能综合测试装置，根据实验目的可以方便地对测 试激励信号、工作环境夹具和测试传感器等方面进行选择和安装，能够全面的了解IPMC材 料力电性能。本发明装置能够根据测量需要，实现IPMC材料在水下和空气中，作为驱动器 时其输出力、位移和复杂变形及其相应驱动电流的测试，作为传感器时其输入位移与其对 应的响应电流或者电压的测试。


下面结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1为本发明的IPMC材料力电性能综合测试装置构成图。图2为图1的俯视图。图3为图1中的谐振位移输入装置的结构图。图4为图1中的一个具体试样夹具结构示意图。图5为图4试样夹具在水下测量使用的容器结构示意图。其中图5-2为图5-1的 侧视图。图6为图4中的电极片结构示意图。其中图6-1为单片电极图，图6-2为电极安 装相对位置图。图7为图1中的电流/电压测量板示意图。图中标号名称为1为激光位移传感器，2为谐振位移输入装置，3为微力传感器，4 为CXD相机，5为IPMC样品，6为试样夹具，7为升降台，8为基架，9为Y向移动平台，10为 X向移动平台，11为带滑块的支承竿，12为低频功率放大装置，13为电流/电压测试板，14 为计算机系统，15为试样伸出试样夹具的部分，16为凸轮，17为末端带齿状结构导杆，18为 可移动夹头，19为电极片，20为固定夹头，21为弹簧，22为松紧螺帽，23为水下测试容器，24 为电极焊点，25为覆盖绝缘漆的铜箔层，26为裸露的电极箔片。
具体实施例方式如图1图2所示，一种离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置，包括基 架8，基架8上设置有升降台7和Y向、X向移动平台9、10，其中，X向移动平台10上设置 有可拆卸的试样夹具6 ;Y向、X向移动平台9、10可实现在水平面内两个方向调整位置，同 时方便不同测试环境使用的样品夹具6的更换；升降台7上设置有用于传感测量的谐振位 移输入装置2、用于试样力电测试的位移传感器1和用于试样顶端输出力测试的微力传感 器3，通过升降台7可实现传感器在垂直平面内位置调整，方便不同测试目的的传感器1和 3与谐振位移输入装置2的更换。试样夹具6上方设置有用于试样变形测量的CXD相机4，用于IPMC材料超大变形 和复杂变形条件下的变形测试。结合位移传感器使用时，修正位移传感器对末端位移的测
量误差。基架8上还设置有用于驱动试样位移或形变的功率放大器12、用于试样电响应的 电流/电压测试板13及计算机系统14，其中，功率放大器12、电流/电压测试板13和试样 5电连接构成电学性能测试回路；计算机系统14通过采集位移传感器1、微力传感器3、CCD 相机4和电流/电压测试板13输出测量数据，生成激励信号通过功率放大器12对试样进 行测量控制。如图3所示，用于传感测量的谐振位移输入装置2包括一个连杆17和一个由马达 驱动的凸轮16，凸轮16带动连杆17作往复(正弦)直线运动，连杆17末端通过带齿结构 卡住试样伸出试样夹具的部分15，将往复直线运动的位移加载到试样5上。利用马达的转 速调节往复运动频率。如图4所示，所述试样夹具6由固定夹头20和可移动夹头18构成，可移动夹头18 通过套装弹簧21的螺杆由松紧螺帽22预紧处于常闭合状态，固定夹头20和可移动夹头18 之间设有与功率放大器12电连接的电极片19，电极片19之间夹持试样5。通过松紧螺帽 22的调节可以控制夹持力的大小以适应不同厚度的样品。利用固定夹头上的螺孔，可以直 接安装在试样水平调整X向移动平台10上，适于在空气中进行实验。如图5所示，当试样需要测量水下性能时，将试样夹具6固定在特制的带挂孔的有 机玻璃容器23壁上，然后将整个容器安装在试样水平调整X向移动平台10上，构成水下性 能测试夹具装置。如图6所示，电极片19，采用印刷电路板制作工艺，易于设计加工以适应不同测试 样品，电极片末端焊点M与功率放大器12和电流/电压测试板13相连。在基板上刻蚀成 L型铜箔导电带，边缘部分电极裸露作为和IPMC材料表面接触电极，尾部裸露部分作为焊 点与激励电源相连，其它铜箔部分覆盖绝缘漆，绝缘性好。两片电极的铜箔向内贴装在夹头 内侧，铜箔重合的长度方便调整以适于不同宽度的IPMC材料试样。如图7所示，电流/电压测试板13包含一个放大器A，该放大器A的一个输入端通 过单刀双掷的第一选择开关Sl与功率放大器12两端及试样一端相连实现传感/致动特性 测量选择，试样另一端与放大器A的另一个输入端相连，放大器A两个输入端间设置单刀单 掷的第二选择开关S2实现致动和传感特性的电流/电压测量选择，放大器A的输入输出端 之间跨接有第三单刀三掷选择开关S3，该选择开关S3通过三个不同阻值的电阻Rl、R2、R3改变放大器A的放大倍数。其中通过在第二选择开关S2支路中串联精密低阻值采样电阻 Rs，通过测量采样电阻两端压降来检测电流。本发明中，基于计算机平台的激励源，包括计算机系统14和低频功率放大器12两 部分。基于带有模拟输出功能的数据采集卡，通过计算机软件可以生成任意编制的信号。包 括控制通断时间和幅值的直流信号；幅值、频率和波形可调的交流信号；一定低频频段内 的扫频信号。这些信号经过功率放大器放大，用于测量了解不同激励下IPMC材料的不同力 电特性。本发明装置的工作原理测量IPMC材料的致动特性时，首先调整电流/电压测试板13上的开关Sl置于m 位置，S2处于闭合位置上；S3用于根据不同性能的IPMC材料响应电流/电压范围，选择合 适的量程。在水下测试时，将电极夹具6安装在容器23上，然后整体安装在X向移动平台 10上；在空气中测试时将夹具6直接安装在X向移动平台10上。利用计算机系统14设置 好相应的激励信号，可以选择一定时间内的直流；不同频率、幅值和波形的交流以及扫频交 流信号作为激励。然后根据实验目的选择测量材料的输出力还是位移。测量输出力时，图 1中利用升降台7、Y向、X向移动平台9和10调整，使得微力传感器3的末端触头与IPMC 试样5末端接触。实验开始时，首先计算机系统14给出激励信号，通过低频功率放大器12 放大驱动材料，响应的力信号通过传感器3转化成模拟信号并被采集到计算机系统14中记 录和分析。测量位移时，利用利用升降台 Λ向、X向移动平台9和10调整，使得激光位移 传感器1的激光测点位于IPMC材料末端附近。实验开始时，首先计算机系统14给出激励 信号，通过低频功率放大器12放大驱动材料，响应的位移信号通过传感器1转化成模拟信 号并被采集到计算机系统14中记录和分析。当IPMC材料发生超大变形，或者经过特殊设 计的IPMC材料样片发生复杂变形时，采用CCD传感器4来进行拍摄，以序列照片形式记录 和分析。测量IPMC材料传感特性时，首先调整电流/电压测试板13上的开关Sl置于η位 置。S2处于打开位置上时，测量响应的电压信号；处于闭合位置上时，测量响应的短路电流 信号；S3用于根据不同性能的IPMC材料响应电流/电压范围，选择合适的量程。在水下测 试时，将试样夹具6安装在容器23上，然后整体安装在X向移动平台10上；在空气中测试 时将夹具6直接安装在X向移动平台10上。将谐振位移输入装置2安装在升降台7上，实 现0相位的直线谐振运动，通过位置调整装置7、9、10调整到合适的位置，使导杆17末端齿 结构卡住IPMC试样末端，设置马达频率带动凸轮16转动，利用电流/电压测试板13将电 信号放大并被采集到计算机系统14中记录和分析。
权利要求
1.一种离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置，包括基架(8)，其特征在 于，基架(8)上设置有实现传感器垂直位置调整的升降台(7)和实现试样水平位置调整的 Y向、X向移动平台(9、10)，其中，X向移动平台(10)上设置有可拆卸的试样夹具(6)；升降 台(7)上设置有用于传感测量的谐振位移输入装置O)、用于试样力电测试的位移传感器 (1)和用于试样顶端输出力测试的微力传感器(3)，试样夹具(6)上方设置有用于试样变形 测量的CCD相机，基架(8)上还设置有用于驱动试样位移或形变的功率放大器(12)、用 于试样电响应的电流/电压测试板(13)及计算机系统(14)，其中，功率放大器(12)、电流 /电压测试板(1 和试样(5)电连接构成电学性能测试回路；计算机系统(14)通过采集 位移传感器(1)、微力传感器(3)、CCD相机(4)和电流/电压测试板(1 输出测量数据， 生成激励信号通过功率放大器(1 对试样进行测量控制。
2.根据权利要求1所述的离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置，其特征 在于，所述试样夹具(6)由固定夹头00)和可移动夹头(18)构成，可移动夹头(18)通过 套装弹簧的螺杆由松紧螺帽0 预紧，固定夹头OO)和可移动夹头(18)之间设有 与功率放大器(12)电连接的电极片(19)，电极片(19)之间夹持试样(5)。
3.根据权利要求2所述的离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置，其特征 在于，所述电极片(19)采用印刷电路板制成。
4.根据权利要求1所述的离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置，其特征 在于，所述的谐振位移输入装置( 包括一个连杆(17)和一个由马达驱动的凸轮(16)，凸 轮(16)带动连杆(17)作往复直线运动，连杆(17)末端通过带齿结构卡住试样伸出试样夹 具(6)的部分(15)，将往复直线运动的位移加载到试样上。
5.根据权利要求1所述的离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置，其特征 在于，所述的电流/电压测试板(1 包含一个放大器A，该放大器A的一个输入端通过单刀 双掷的第一选择开关Sl与功率放大器(1 两端及试样一端相连，用于传感/致动特性测 量；试样另一端与放大器A的另一个输入端相连，放大器A两个输入端间设置单刀单掷的第 二选择开关S2和采样电阻Rs用于致动和传感特性的电流/电压测量；放大器A的输入输 出端之间跨接有第三单刀多掷选择开关S3，该选择开关S3通过多个不同阻值的电阻用于 改变放大器A的放大倍数。
全文摘要
本发明公开了一种离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置，包括基架，其特征在于，基架上设置有升降台和Y向、X向移动平台，其中，X向移动平台上设置有可拆卸的试样夹具；升降台上设置有谐振位移输入装置、位移传感器和微力传感器，试样夹具上方设置有CCD相机，基架上还设置有功率放大器、电流/电压测试板及计算机系统，其中，功率放大器、电流/电压测试板和试样电连接构成电学性能测试回路；计算机系统通过采集位移传感器、微力传感器、CCD相机和电流/电压测试板输出测量数据，生成激励信号通过功率放大器对试样进行测量控制。
文档编号G01L1/00GK102116689SQ20111000269
公开日2011年7月6日 申请日期2011年1月7日 优先权日2011年1月7日
发明者常龙飞, 朱子才, 李博, 王永泉, 陈花玲 申请人:西安交通大学