CN103076364B - 一种ipmc膜片传感特性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IPMC膜片传感特性测量装置，包括一个驱动装置驱动所述的IPMC膜片，使得IPMC膜片发生形变，该IPMC膜片两端产生的电势差由一个电信号检测电路检测输出，所述IPMC膜片发生的形变由一个位移传感器检测并记录。所述的驱动装置包括一台可正反转的电机驱动一驱动杆，该驱动杆装设一弹簧使得所述驱动杆可以沿驱动杆轴向运动，所述驱动杆的一端与所述的IPMC膜片的顶端固接，所述IPMC膜片的底端被一电极夹夹持，该电极夹连接至一信号调理电路，所述驱动杆在所述电机的驱动下发生横向摆动运动，且该驱动杆与所述的IPMC膜片的顶端固接点的运动轨迹被限制在一个预设的弧线导轨内。

Description

一种IPMC膜片传感特性测量装置及方法

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，特别涉及一种离子聚合物金属复合材料（IronicPolymer-MetalComposite,IPMC）膜片的传感特性的测量装置及方法。

背景技术

离子聚合物金属复合材料（IonicPolymer-MetalComposite,IPMC）俗称“人工肌肉”，是一种新型电致动聚合物材料，具有质量轻、柔软、驱动电压低、响应速度快等特点。当对IPMC施加一定电压值（通常为1-5V）时，IPMC将偏离轴线方向产生一定弯曲；相反的，当IPMC发生机械弯曲时，将在两侧电极间产生一定的电势差，故IPMC既具有致动特性，也具有传感特性。即：当外力使IPMC材料膜片向偏离轴线方向发生弯曲时，材料内的水合阳离子将根据形变方向发生相应移动，这样便打破了材料内部原有的电荷平衡。由于两侧电极所聚集的电荷量发生变化，将导致电极间产生一个电势差。通过测量IPMC形变情况与电极间电势差变化情况之间的关系，就可以对IPMC材料传感特性进行测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种一种离子聚合物金属复合材料（IronicPolymer-MetalComposite,IPMC）膜片的传感特性的测量装置及方法。

本发明的技术方案是一种IPMC膜片传感特性测量装置，包括一个驱动装置驱动所述的IPMC膜片，使得IPMC膜片发生形变，该IPMC膜片两端产生的电势差由一个电信号检测电路检测输出，所述IPMC膜片发生的形变由一个位移传感器检测并记录。

所述的驱动装置包括一台可正反转的电机驱动一驱动杆，该驱动杆装设一弹簧使得所述驱动杆可以沿驱动杆轴向运动，

所述驱动杆的一端与所述的IPMC膜片的顶端固接，所述IPMC膜片的底端被一电极夹夹持，该电极夹连接至一信号调理电路，

所述驱动杆在所述电机的驱动下发生横向摆动运动，且该驱动杆与所述的IPMC膜片的顶端固接点的运动轨迹被限制在一个预设的弧线轨道内，

所述的位移传感器是激光位移传感器。

所述的电机是步进电机。

所述的信号调理电路由两级放大电路组成，第一级放大电路由运算放大器AD620和两片OP07运放构成，第二级放大电路为OP07构成的反向放大电路，信号调理电路输出的电压经数据采集卡采集后送入计算机进行处理，该电压信号值对应于IPMC膜片位移的大小。

一种IPMC膜片传感特性测量方法，包括以下步骤：

用一台步进电机驱动一驱动杆，该驱动杆装设一弹簧使得所述驱动杆可以沿驱动杆轴向运动；

所述驱动杆的一端与所述的IPMC膜片的顶端固接，所述IPMC膜片的底端被一电极夹夹持，该电极夹连接至一信号调理电路；

所述驱动杆在所述电机的驱动下发生横向摆动运动，摆幅和频率特征参数可调，且该驱动杆与所述的IPMC膜片的顶端固接点的运动轨迹被限制在一个预设的弧线导轨内；

当所述IPMC膜片在步进电机作用下变形时所述IPMC膜片顶端产生圆弧式位移时，这时对IPMC膜片底端和顶端的电极间电压通过所述信号调理电路进行测量；

采用激光位移传感器测量所述IPMC膜片顶端位移，

对所述IPMC膜片的变形位移、电极间电压进行实时数据采集、显示与保存，保存的数据供后续分析、处理使用。

本发明提出了一种结构简单的对IPMC材料的传感特性进行测试的装置，该装置通过伸缩弹簧驱动机构与半圆弧形导轨的有机结合，可以使IPMC膜片发生预定的机械摆动，从而使IPMC膜片产生形变位移，而在膜片的两电极间产生的与膜片顶端位移相关的输出电压。通过激光位移传感器与信号调理电路测量得到IPMC膜片的顶端位移量与膜片电极间的输出电压，通过数据采集卡与LabVIEW软件实现数据的实时采集、显示与存储。

附图说明

图1是本发明IPMC膜片测量装置原理框图

图2是本发明实施例中的IPMC膜片测量装置驱动机构示意图

图3是本发明实施例中所示的弯曲的IPMC膜片顶端会发生相应的圆弧式位移轨迹图

图4是本发明实施例中的微弱信号放大调理电路原理图

具体实施方式

本发明的测试原理是，将IPMC材料的膜片一端固定，通过一驱动机构使其另一端偏离轴线方向发生弯曲，材料内部带电离子将发生相应移动，改变原有的离子分布状况。随着离子的移动，在一侧电极处将逐渐聚集正电荷，而另一侧电极处则是聚集的负电荷，这样便在两电极间形成了一个电势差。通过外部电路，可测量两电极间的短路电流或开路电压。通过测量IPMC膜片在外力作用下产生变形的位移变化和两电极间的电信号变化，建立IPMC膜片变形位移与膜片电极间电信号变化之间的关系模型，便可利用IPMC膜片对使膜片变形的外力大小进行测量，从而可以用其对微力或微振动进行传感测量。

本发明提出的测试实验装置的主要功能包括：

1、带伸缩弹簧的驱动机构使IPMC膜片按设定方式实现摆动，实现圆弧式摆幅、频率等特征参数可调；

2、当IPMC膜片在驱动机构作用下变形时膜片顶端产生圆弧式位移时，对膜片的电极间电压进行测量；

3、采用激光位移传感器测量IPMC膜片顶端位移，用微弱信号放大调理电路测量膜片两电极间电压；

3、对IPMC膜片的变形位移、电极间电压进行实时数据采集、显示与保存，保存的数据供后续分析、处理使用。实验平台原理框图如图1所示。

本发明测试装置的构成包括，IPMC膜片的底端由电极夹夹持，电极夹不仅起传输IPMC输出电信号的作用，同时还具有固定IPMC的作用。IPMC顶端由平台上的驱动装置予以驱动，实现往复的圆弧式摆动。

本发明的驱动装置当IPMC膜片发生弯曲时，由于材料内部离子分布情况发生变化，导致两侧电极间产生一定的电势差，从而产生了电压输出。为了使IPMC膜片实现按测试要求进行形变，本发明设计了如图2所示的驱动机构装置。

其中，IPMC膜片由驱动杆带动发生摆动，其摆动成圆弧状轨迹如图3所示。若驱动杆沿图3中圆弧轨迹摆动，则IPMC膜片将按同样的轨迹摆动，但是此时IPMC膜片可运动部分依然为一条直线，不会发生弯曲变形，因此采用一伸缩弹簧结构使驱动杆沿图3中抛物线轨迹摆动，由于IPMC膜片本身很柔软，当驱动杆偏离初始位置后，IPMC膜片便会发生如图3所示的弯曲，膜片顶端会发生相应的圆弧式位移。

为了保证IPMC膜片能按预期方式运动，驱动杆顶端和IPMC膜片顶端通过装置固定，驱动杆摆动中心平行于IPMC膜片的电极夹前端。在驱动杆顶端放置一个圆弧线形轨道，驱动杆将沿轨道运动，由于驱动杆为刚性杆，且摆动中心距抛物线轨道各点距离不一样。因此，在摆动过程中，为了保证驱动杆能自由伸缩，在驱动杆后增加了伸缩弹簧。当驱动杆远离初始位置时，在轴向会向后运动并压缩弹簧；当驱动杆靠近初始位置时，弹簧将逐渐恢复并推动驱动杆在轴向向前运动。驱动杆摆动由步进电机控制，改变步进电机转速和转动角度，将使IPMC膜片的摆动频率和幅度发生相应的变化。

对于IPMC膜片极间电压的测量的过程是，当IPMC材料作为执行器时，其驱动电压一般在5V以下，但是当IPMC材料作为传感器时，其摆动同样幅度，所产生的电压只能达到毫伏级别。因此，IPMC作为传感器应用时，输出量为微弱电信号。为了采集IPMC的输出电压信号，需要首先对其进行信号调理，以达到信号放大和抗干扰的目的。

图4所示为本发明提出的微弱信号放大调理电路原理图，电路主要由两级放大电路组成。第一级放大电路由运算放大器AD620和两片OP07运放构成，前端的两个电压跟随器可以有效抑制干扰。第二级放大电路为OP07构成的反向放大电路。通过调整电位器的阻值可改变放大倍数。调理电路输出的电压经数据采集卡采集后送入计算机进行处理，该电压信号值对应于IPMC膜片位移的大小。

IPMC膜片的顶端位移由激光位移传感器测量，激光位移传感器的激光头通过软件设置，可确定激光传感器的测量精度与零点位置等。激光位移传感器所直接输出的模拟信号，由数据采集卡进行数据采集。

Claims (4)

1.一种IPMC膜片传感特性测量装置，其特征在于，包括一个驱动装置驱动所述的IPMC膜片，使得IPMC膜片发生形变，该IPMC膜片两端产生的电势差由一个电信号检测电路检测输出，所述IPMC膜片发生的形变由一个位移传感器检测并记录，

所述的驱动装置包括一台可正反转的电机驱动一驱动杆，该驱动杆装设一弹簧使得所述驱动杆可以沿驱动杆轴向运动，

所述驱动杆的一端与所述的IPMC膜片的顶端固接，所述IPMC膜片的底端被一电极夹夹持，该电极夹连接至一信号调理电路，

所述驱动杆在所述电机的驱动下发生横向摆动运动，且该驱动杆与所述的IPMC膜片的顶端固接点的运动轨迹被限制在一个预设的弧线导轨内，

所述的位移传感器是激光位移传感器。

2.如权利要求1所述的IPMC膜片传感特性测量装置，其特征在于，所述的电机是步进电机。

3.如权利要求1所述的IPMC膜片传感特性测量装置，其特征在于，所述的信号调理电路由两级放大电路组成，第一级放大电路由运算放大器AD620和两片OP07运放构成，第二级放大电路为OP07构成的反向放大电路，信号调理电路输出的电压经数据采集卡采集后送入计算机进行处理，该电压信号值对应于IPMC膜片位移的大小。

4.一种IPMC膜片传感特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

用一台步进电机驱动一驱动杆，该驱动杆装设一弹簧使得所述驱动杆可以沿驱动杆轴向运动；

所述驱动杆的一端与所述的IPMC膜片的顶端固接，所述IPMC膜片的底端被一电极夹夹持，该电极夹连接至一信号调理电路；

所述驱动杆在所述电机的驱动下发生横向摆动运动，摆幅和频率特征参数可调，且该驱动杆与所述的IPMC膜片的顶端固接点的运动轨迹被限制在一个预设的弧线导轨内；

当所述IPMC膜片在步进电机作用下变形时所述IPMC膜片顶端产生圆弧式位移时，这时对IPMC膜片底端电极间电压通过所述信号调理电路进行测量；

采用激光位移传感器测量所述IPMC膜片顶端位移，

对所述IPMC膜片的变形位移、电极间电压进行实时数据采集、显示与保存，保存的数据供后续分析、处理使用。