CN104237461A - 一种充气预形变的电机械性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能材料测试领域，涉及一种充气预形变的电机械性能测试装置及其测试方法。现有技术存在测试装置搭建成本昂贵，维护费用高，需要耗费大量时间与精力，无法实现数据记录的自动化等问题。采用本发明的设计装置，可以通过供气系统与控制系统的配合对电致形变类材料进行可控预形变，施加电压的同时采用非接触式检测系统对测试过程进行实时监测。这样，可以实现远程操控与自动化测试及数据记录。

Description

一种充气预形变的电机械性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试装置，尤其涉及一种充气预形变的电机械性能测试装置及测试方法。 

背景技术                                                                             

电活性材料是一种能够在电场作用下改变形状或体积的功能性材料。电活性材料中包括在电场的作用下，材料中的分子或离子发生位置转移和团聚分散而产生形变的离子型电活性材料，如：离子凝胶，碳纳米管，导电聚合物等。这种材料通常在较小的电压下即可出现伸缩或弯曲运动。但因为离子型电活性材料的工作环境较为苛刻，从而影响了其的应用范围。电活性材料中的另一类则是电场型电活性材料，如：聚合物驻极体，铁电聚合物，电致伸缩聚合物，以及介电弹性体材料。电活性聚合物被誉为“人造肌肉”。

新材料与生物医学技术结合是当今科学研究的主流，每年全球有近千万人需要进行各类器官移植手术。这就使得发现能够满足替代人体器官的新材料极为迫切。对于此类新材料的要就，不仅应具有和原组织器官相似的力学性能，而且更重要的是能够在外界的刺激，特别是电刺激下实现该器官的功能。这就需要一类理想的柔性高、生物相容性好的电致形变材料（其核心是具有电压-形变敏感的新型功能材料，这种材料在电场下会改变体积或形状）来实现人造组织的正常运动。 

电致形变类材料可以利用电能驱动机械能的方式，应用于机械传感部件，驱动器，盲文识别系统以及其最终目标为将电致形变类材料与生物医疗学科相交叉，从而设计制备具有相当功能性的人造肌肉，应用于器官移植，假肢替代等领域。 

常规对电致形变类材料的测试装置或采用CCD电荷耦合元件的摄像机监测驱动过程，或采用普通数码摄像机拍摄驱动过程加上图像处理软件进行检测驱动形变。实施的预形变过程多为单轴拉伸或双轴拉伸。CCD电荷耦合元件的摄像机价格昂贵，维护费用高，增加了测试装置搭建的成本。而采用普通数码摄像机拍摄驱动过程加上图像处理软件进行检测驱动形变则需要耗费大量时间与精力，无法实现数据记录的自动化。预形变过程无论采用单轴拉伸还是双轴拉伸模式均需要配套的精确拉伸设备，增加装置成本。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可远程控制的自动化数据记录的充气预形变的电机械性能测试装置及测试方法。 

本发明的技术方案是：一种充气预形变的电机械性能测试装置，包括有单片机、无线收发模块，非接触式检测系统，驱动测试系统，高压电源装置，供气系统及控制系统； 

所述的非接触式检测系统包括为激光位移传感器，

所述的驱动测试装置包括导电底座和与所述导电底座配合使用的环形绝缘垫片，所述底座为中空圆柱体，中空圆柱体的上端面的中心位置设有通气孔，中空体圆柱下部的一侧的侧壁上设有进气口；

所述的高压电源装置包括高压电源、示波器、控制开关、下电极、上电极及用于测量测试样品两端实际电压的高压探头，

所述的供气系统包括钢气瓶，

所述的控制系统包括气体流量控制器；

其中，所述钢气瓶通过所述气体流量控制器与所述导电底座的进气口联通，所述环形绝缘垫片将喷涂均匀上下电极的待测材料固定于所述导电底座的上端，所述高压电源的一端通过下电极与所述导电底座连接，另一端与所述上电极连接，所述控制开关与所述高压电源控制连接，所述示波器与所述高压电源连接，所述激光位移传感器位于所述导电底座的垂直上方，所述示波器和激光位移传感器通过所述无线收发模块与所述单片机数据连接。

本发明的另一目的是提供上述装置的测试方法，具体步骤如下： 

首先，先将柔性测试样品的上下面均匀涂上圆形柔性电极，将柔性测试样品平放在导电底座上使其电极区域覆盖导电底座上的通气孔，再将绝缘环形垫片固定在薄膜上，须保证柔性测试样品膜涂有电极的面积大于绝缘环形垫片的面积和气孔的面积；

然后，从导电底座引出导线，从柔性测试样品上表面引出导线，分别接在直流高压电源两端，打开气体流量控制器向导电底座中通入气体，进行预形变，通过激光位移传感器记录薄膜膨胀的记录此时的预形变高度记为h_1，；关闭气体流量控制器，保持圆柱体腔内外压强恒定，打开控制开关，接通高压电源，施加电压，通过高压探头检测薄膜两端实际电压，所述示波器实时检测并记录实际电压的，采用激光位移传感器记录施加加电压后的薄膜膨胀的高度值h₂，所述示波器和激光位移传感器将采集到的数据通过无线收发模块发送给单片机，单片机利用下面公式(1)计算驱动形变值A，即

              （1）

式中：A为驱动形变值，R为绝缘环形垫片内环半径，h₂为施加电场时薄膜膨胀高度，h₁为预形变膨胀高度。

本发明具有以下效果： 

1）本发明所提供的测试装置可以实现实时监控，远程操控与自动化测试及数据记录的特点。

2）本发明所提供的测试装置具有搭建简单，价格便宜，。 

附图说明

图1、充气预形变的电机械性能测试装置的构造示意图。 

图2、导电底座的剖视示意图。 

图3为导电底座的俯视示意图。 

图4、实施测试装置测试例1所得的电场-形变曲线。 

图中各附图标记的含义如下： 

1 电致形变薄膜                         2 绝缘环形垫片

3 导电底座                             4 气流控制系统

5 供气系统                             6 激光位移传感器

7 高压系统

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式

如图1所示的是一种充气预形变的电机械性能测试装置，包括有单片机、无线收发模块，非接触式检测系统，驱动测试系统，高压电源装置，供气系统及控制系统； 

所述的非接触式检测系统包括为激光位移传感器，

所述的驱动测试装置包括导电底座和与所述导电底座配合使用的环形绝缘垫片，所述底座为中空圆柱体，中空圆柱体的上端面的中心位置设有通气孔，中空体圆柱下部的一侧的侧壁上设有进气口；

所述的高压电源装置包括高压电源、示波器、控制开关、下电极、上电极及用于测量测试样品两端实际电压的高压探头，

所述的供气系统包括钢气瓶，

所述的控制系统包括气体流量控制器；

其中，所述钢气瓶通过所述气体流量控制器与所述导电底座的进气口联通，所述环形绝缘垫片将喷涂均匀上下电极的待测材料固定于所述导电底座的上端，所述高压电源的一端通过下电极与所述导电底座连接，另一端与所述上电极连接，所述控制开关与所述高压电源控制连接，所述示波器与所述高压电源连接，所述激光位移传感器位于所述导电底座的垂直上方，所述示波器和激光位移传感器通过所述无线收发模块与所述单片机数据连接。

见图2。本发明所设计的装置通过绝缘环形垫片的形状限定了预形变的形状为半球形，并通过导电底座的特殊设计实现了连接电源电极和充入气流，并且将薄膜固定在垫片和导电底座之间。控制系统4主要包括气体流量控制器，其特征是控制预形变时充入驱动系统的气流量，从而实现可控预形变。供气系统5包括气体瓶，其特征是提供稳定气流。非接触式检测系统6包括激光位移传感器及其固定装置，其特征是通过激光位移传感器实时监测传薄膜膨胀高度，通过计算公式从而得出膨胀面积。所述的高压系统包括高压电源、高压探头、控制开关、导线及示波器，其特征是向外输出电压，同时实时监测施加在薄膜上下面的实际电场，通过示波器进行监控记录。 

通过上述的文字描述并结合附图可以看出，采用本发明后，可以结合激光位移传感器的电脑数据记录电致形变薄膜电机械性能测试过程中的高度和示波器数据记录的施加在薄膜上下两面的电压作图得到材料的电机械电压-驱动形变曲线。 

实施例1 

制备一种硅橡胶薄膜，其尺寸为5*5 cm，厚度约为175 um，将其上下面均匀涂上圆形柔性电极，例如石墨粉。将薄膜平放在导电底座上使其电极区域覆盖导电底座上的气孔，再将绝缘环形垫片固定在薄膜上，必须保证硅橡胶薄膜涂有电极的面积大于环的面积和气孔的面积。从导电底座引出下电极，从薄膜上表面引出上电极，分别接在直流高压电源两端。在进行预形变过程中，不施加电压，同时向底座中通入气体，通过调节供气体统对薄膜进行预形变，记录此时的预形变高度记为h₁。在测试电致形变过程中，关闭气阀，保持圆柱体腔内外压强恒定，施加电压，通过高压探头检测薄膜两端实际电压，采用激光位移传感器记录薄膜膨胀的高度，测试材料的膨胀高度（即为材料的驱动形变）将随着施加电压的增大而增大。利用下面公式计算驱动形变，即

              （1）

其中A为形变百分比，R为绝缘环形垫片内环半径，h₂为施加电场时薄膜膨胀高度，h₁为预形变膨胀高度。

从图4中可看出，由本发明装置测得的电压-应变曲线具有数据记录自动化，数据采集密集度可调，数据稳定，实时监测，远程操作等优点。 

Claims (2)

1.一种充气预形变的电机械性能测试装置，其特征在于，该装置包括有单片机、无线收发模块，非接触式检测系统，驱动测试系统，高压电源装置，供气系统及控制系统；

所述的非接触式检测系统包括为激光位移传感器，

所述的驱动测试装置包括导电底座和与所述导电底座配合使用的环形绝缘垫片，所述底座为中空圆柱体，中空圆柱体的上端面的中心位置设有通气孔，中空体圆柱下部的一侧的侧壁上设有进气口；

所述的高压电源装置包括高压电源、示波器、控制开关、下电极、上电极及用于测量测试样品两端实际电压的高压探头，

所述的供气系统包括钢气瓶，

所述的控制系统包括气体流量控制器；

其中，所述钢气瓶通过所述气体流量控制器与所述导电底座的进气口联通，所述环形绝缘垫片将喷涂均匀上下电极的待测材料固定于所述导电底座的上端，所述高压电源的一端通过下电极与所述导电底座连接，另一端与所述上电极连接，所述控制开关与所述高压电源控制连接，所述示波器与所述高压电源连接，所述激光位移传感器位于所述导电底座的垂直上方，所述示波器和激光位移传感器通过所述无线收发模块与所述单片机数据连接。

2.一种如权利要求1所述的装置的测试方法，其特征在于，具体步骤如下：

首先，先将柔性测试样品的上下面均匀涂上圆形柔性电极，将柔性测试样品平放在导电底座上使其电极区域覆盖导电底座上的通气孔，再将绝缘环形垫片固定在薄膜上，须保证柔性测试样品膜涂有电极的面积大于绝缘环形垫片的面积和气孔的面积；

然后，从导电底座引出导线，从柔性测试样品上表面引出导线，分别接在直流高压电源两端，打开气体流量控制器向导电底座中通入气体，进行预形变，通过激光位移传感器记录薄膜膨胀的记录此时的预形变高度记为h_1，；关闭气体流量控制器，保持圆柱体腔内外压强恒定，打开控制开关，接通高压电源，施加电压，通过高压探头检测薄膜两端实际电压，所述示波器实时检测并记录实际电压的，采用激光位移传感器记录施加加电压后的薄膜膨胀的高度值h₂，所述示波器和激光位移传感器将采集到的数据通过无线收发模块发送给单片机，单片机利用下面公式(1)计算驱动形变值A，即

              （1）

式中：A为驱动形变值，R为绝缘环形垫片内环半径，h₂为施加电场时薄膜膨胀高度，h₁为预形变膨胀高度。