CN210664324U

CN210664324U - 一种水凝胶应变传感器的测试装置

Info

Publication number: CN210664324U
Application number: CN201921696062.5U
Authority: CN
Inventors: 翟茂林; 林廷睿; 彭静
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2029-10-11

Abstract

本实用新型公布了一种水凝胶应变传感器的测试装置，包括材料试验机、电化学工作站和连接它们的导线，其特征在于，所述材料试验机包含拉伸夹具和压缩夹具两种夹具，其中：所述拉伸夹具包括上拉伸夹具和下拉伸夹具，上、下拉伸夹具均由一对平行相对的拉伸夹片组成，每个拉伸夹片由一个不锈钢片和一个橡胶片粘接而成，其中每对拉伸夹片相对的一面为橡胶片，外侧面为不锈钢片；所述压缩夹具包括两个压缩盘，每个压缩盘由一个不锈钢盘和一个硅胶盘粘接而成，两个压缩盘相对的一面为硅胶盘，向外的一面为不锈钢盘；所述电化学工作站至少具有四个电极。利用该装置能够简便且精确地对水凝胶在拉伸和压缩过程的应变—电阻数据进行实时同步测定。

Description

一种水凝胶应变传感器的测试装置

技术领域

本实用新型涉及应变传感器应用领域，具体是一种水凝胶应变传感器的测试装置，包含测试水凝胶应变传感器拉伸传感性能和压缩传感性能的两种形式。

背景技术

将机械应变信号转换为电阻信号的电阻式应变传感器在工业实践和电子设备中有着重要的应用。特别地，水凝胶应变传感器因在柔性可穿戴电子设备中有巨大的应用前景而受到广泛关注。

得益于水凝胶具有高可拉伸性和可压缩性的优异机械性能，水凝胶应变传感器能够对伸长率超过3000％和压缩率超过99％的机械应变进行检测。因此，这对能够产生大应变的水凝胶传感器性能的测试装置提出了一定要求。

然而，目前文献公开的水凝胶应变传感器性能的测试方法大都是靠人工手动操作来使水凝胶产生大应变，然后用半导体参数测量仪测试其电阻(Y.-Z.Zhang,et al.MXenesStretch Hydrogel Sensor Performance to New Limits.Sci.Adv.2018,4,eaat0098；Y.Zhou,et al.Highly Stretchable,Elastic,and Ionic Conductive Hydrogel forArtificial Soft Electronics.Adv.Funct.Mater.2019,29,1806220.)。这种方法存在着测试仪器昂贵难于获得、操作自动化低、可测试的水凝胶应变范围小、水凝胶应变控制精度低以及难于对水凝胶的应变—电阻数据进行同步测定等缺点。

实用新型内容

本实用新型目的是解决目前水凝胶应变传感器性能测试方法存在的上述背景技术中提到的问题，提供一种能够对水凝胶的应变传感器性能进行精确测定的简便易行的测试装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种水凝胶应变传感器的测试装置，包括材料试验机、电化学工作站和连接它们的导线，其特征在于，所述材料试验机包含拉伸夹具和压缩夹具两种夹具，其中：所述拉伸夹具包括上拉伸夹具和下拉伸夹具，上、下拉伸夹具均由一对平行相对的拉伸夹片组成，每个拉伸夹片由一个不锈钢片和一个橡胶片粘接而成，其中每对拉伸夹片相对的一面为橡胶片，外侧面则为不锈钢片；所述压缩夹具包括两个压缩盘，每个压缩盘由一个不锈钢盘和一个硅胶盘粘接而成，两个压缩盘相对的一面为硅胶盘，向外的一面为不锈钢盘；所述电化学工作站至少具有四个电极。

进一步的，上述测试装置中，组成所述拉伸夹片的不锈钢片和橡胶片优选为矩形，二者长宽一致，长度优选为25～50mm，宽度优选为25～50mm。橡胶片的厚度优选为1～4mm。

优选的，组成所述压缩盘的不锈钢盘和硅胶盘为等直径的圆柱体，直径优选为30～80mm，其中不锈钢盘的高优选为15～40mm，硅胶盘的高优选为0.5～3.0mm。

所述导线优选为粗铜线，例如直径0.1～1.0mm的铜线。

该水凝胶应变传感器的测试装置在进行拉伸测试时采用形式I，即材料试验机装载上、下拉伸夹具，并用导线相应地与电化学工作站相连，其中，一根导线的一端固定在上拉伸夹具两个相对橡胶片的其中一个面上，另一端连接电化学工作站的两个电极；另一根导线的一端固定在下拉伸夹具两个相对橡胶片的其中一个面上，另一端连接电化学工作站的另两个电极。上下拉伸夹具从相互靠近到远离运动时，实现对水凝胶应变传感器的拉伸作业，同时用电化学工作站实时记录水凝胶应变传感器在拉伸过程中的电阻值。

该水凝胶应变传感器的测试装置在进行压缩测试时采用形式II，即材料试验机装载压缩夹具，并用导线相应地与电化学工作站相连，其中，一根导线的一端固定在上压缩盘的硅胶盘表面，另一端连接电化学工作站的两个电极；另一根导线的一端固定在下压缩盘的硅胶盘表面，另一端连接电化学工作站的另两个电极。上下压缩夹具从相互远离到靠近运动时，实现对水凝胶应变传感器的压缩作业，同时用电化学工作站实时记录水凝胶应变传感器在压缩过程中的电阻值。

水凝胶应变传感器的测试原理为：利用材料试验机能够获得水凝胶应变传感器在0～5000％拉伸应变和0～100％压缩应变范围内的时间—应变对应数据，利用电化学工作站可获得水凝胶应变传感器在10^-1～10¹⁰Ω电阻范围内的时间—电阻对应数据，而用导线将两者连接起来便可同步获得水凝胶应变传感器的应变—电阻对应数据，从而实现对水凝胶应变传感器的拉伸传感和压缩传感性能的测定。其中，水凝胶应变传感器的测试装置的形式I可用于测试水凝胶应变传感器的拉伸传感性能，而它的形式II用于测试水凝胶应变传感器的压缩传感性能。

本实用新型的水凝胶应变传感器的测试装置，与目前公开的测试装置相比的优点如下：

1)本装置中所涉及的仪器普通易得，搭建简单容易，自动化程度高；

2)本装置能够对水凝胶应变传感器在0～100％压缩应变和0～5000％拉伸应变的宽范围机械应变进行测定；

3)本装置能够对水凝胶应变传感器的应变进行精确测量；

4)本装置能够对水凝胶应变传感器在拉伸和压缩过程的应变—电阻数据进行实时同步测定。

因此，本实用新型的水凝胶应变传感器的测试装置将在应变传感器领域具有独特的应用优势和广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，对水凝胶应变传感器的测试装置进行简单的附图说明，但不应被看作对本实用新型范围的限制。图中各元件或部分并不一定按实际比例绘制。

图1.水凝胶应变传感器的测试装置—利用拉伸夹具测试的结构示意图；

图2.水凝胶应变传感器的测试装置—利用压缩夹具测试的结构示意图；

图中：1、材料试验机，2、电化学工作站，3、电化学工作站的电极，4、导线，5、材料试验机拉伸夹具的不锈钢片，6、材料试验机拉伸夹具的橡胶片，7、材料试验机压缩夹具的不锈钢盘，8、材料试验机压缩夹具的硅胶盘。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明，但本实用新型的保护范围并不局限于此。

实施例1、水凝胶应变传感器的测试装置形式I—用于测试水凝胶应变传感器的拉伸传感性能

如图1所示，本实用新型的水凝胶应变传感器的测试装置在进行拉伸传感性测试时，材料试验机1采用拉伸夹具。所述拉伸夹具包括上拉伸夹具和下拉伸夹具，上、下拉伸夹具均由一对平行相对、可进行相互靠近和远离运动的拉伸夹片组成，每个拉伸夹片均由一个矩形不锈钢片5和一个矩形橡胶片6粘接而成，其中每对拉伸夹片相对的一面为橡胶片6，外侧面则为不锈钢片5。上、下拉伸夹具各通过一根导线4连接电化学工作站2，电化学工作站2具有四个电极3。所述橡胶片6长50mm、宽25mm、厚2.5mm，所述导线为0.5mm粗铜线。

用哑铃型裁刀将水凝胶应变传感器裁成哑铃型。然后，材料试验机1的上拉伸夹具的两个橡胶片6将一根导线的一端和该哑铃型水凝胶应变传感器的上宽端部固定住，即一根导线4的一头置于水凝胶应变传感器上宽端部和橡胶片的界面间，此导线4的另一头与电化学工作站2的工作电极和参比电极连接。同样的，材料试验机1的下拉伸夹片以橡胶片6将另一根导线4和该哑铃型水凝胶应变传感器的下宽端部固定住，即另一根导线4一头置于水凝胶样品下宽端部和橡胶片的界面间，此导线4的另一头与电化学工作站2的参比电极和敏感电极连接。

测量时，材料试验机向上拉动上拉伸夹具，带动哑铃型水凝胶应变传感器向上拉伸，同时启动电化学工作站实时记录该哑铃型水凝胶应变传感器在拉伸过程中的电阻值。

实施例2、水凝胶应变传感器的测试装置形式I—用于测试水凝胶应变传感器的拉伸传感性能

将实施例1中的置于水凝胶应变传感器上宽端部和橡胶片的界面间导线的另一头改为与电化学工作站的参比电极和敏感电极连接，而将置于水凝胶应变传感器下宽端部和橡胶夹片的界面间导线的另一头改为与电化学工作站的工作电极和参比电极连接，其余不变。

实施例3、水凝胶应变传感器的测试装置形式II—用于测试水凝胶应变传感器的压缩传感性能

如图2所示，本实用新型的水凝胶应变传感器的测试装置在进行压缩传感性测试时，材料试验机1采用压缩夹具。所述压缩夹具包括两个压缩盘，每个压缩盘由等直径的一个圆柱体不锈钢盘7和一个圆柱体硅胶盘8粘接而成，两个压缩盘相对的一面为硅胶盘8，向外的一面为不锈钢盘7。所述硅胶盘8为直径50mm、高1.0mm的圆柱体。连接压缩夹具和电化学工作站2的导线4为0.5mm粗铜线，电化学工作站2具有四个电极3。

用圆型裁刀将水凝胶应变传感器裁成圆柱型。然后，用材料试验机1压缩夹具的上压缩盘的硅胶盘8将一根导线4和该圆柱型水凝胶应变传感器固定住，即一根导线4的一头置于水凝胶应变传感器上表面和硅胶盘的界面间，此导线4的另一头与电化学工作站2的工作电极和参比电极连接。同样的，用材料试验机1的下压缩盘的硅胶盘8将另一根导线4和该圆型水凝胶应变传感器固定住，即另一根导线4的一头置于水凝胶应变传感器下底面和硅胶盘的界面间，此导线4的另一头与电化学工作站的参比电极和敏感电极连接。

测量时，材料试验机向下压动上压缩夹具，带动圆柱型水凝胶应变传感器向下压缩，同时启动电化学工作站实时记录该圆柱型水凝胶应变传感器在压缩过程中的电阻值。

实施例4、水凝胶应变传感器的测试装置形式II—用于测试水凝胶应变传感器的压缩传感性能

将实施例3中的置于水凝胶应变传感器上表面和硅胶盘的界面间导线的另一头改为与电化学工作站的参比电极和敏感电极连接，而将置于水凝胶应变传感器下底面和硅胶盘的界面间导线另一头改为与电化学工作站的工作电极和参比电极连接，其余不变。

Claims

1.一种水凝胶应变传感器的测试装置，包括材料试验机、电化学工作站和连接它们的导线，其特征在于，所述材料试验机包含拉伸夹具和压缩夹具两种夹具，其中：所述拉伸夹具包括上拉伸夹具和下拉伸夹具，上、下拉伸夹具均由一对平行相对的拉伸夹片组成，每个拉伸夹片由一个不锈钢片和一个橡胶片粘接而成，其中每对拉伸夹片相对的一面为橡胶片，外侧面为不锈钢片；所述压缩夹具包括两个压缩盘，每个压缩盘由一个不锈钢盘和一个硅胶盘粘接而成，两个压缩盘相对的一面为硅胶盘，向外的一面为不锈钢盘；所述电化学工作站至少具有四个电极。

2.如权利要求1所述的水凝胶应变传感器的测试装置，其特征在于，组成所述拉伸夹片的不锈钢片和橡胶片为矩形。

3.如权利要求2所述的水凝胶应变传感器的测试装置，其特征在于，所述不锈钢片和橡胶片的长为25～50mm，宽为25～50mm。

4.如权利要求3所述的水凝胶应变传感器的测试装置，其特征在于，所述橡胶片的厚度为1～4mm。

5.如权利要求1所述的水凝胶应变传感器的测试装置，其特征在于，组成所述压缩盘的不锈钢盘和硅胶盘为等直径的圆柱体。

6.如权利要求5所述的水凝胶应变传感器的测试装置，其特征在于，所述不锈钢盘和硅胶盘的直径为30～80mm。

7.如权利要求6所述的水凝胶应变传感器的测试装置，其特征在于，所述锈钢盘高为15～40mm，硅胶盘高为0.5～3.0mm。

8.如权利要求1所述的水凝胶应变传感器的测试装置，其特征在于，所述导线为直径0.1～1.0mm的铜线。