[发明专利]离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置

说明书

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，CCD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CCD相机，基架上还设置有用于驱动试样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S1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。