专利名称：Ipmc人工肌肉材料性能测试装置的制作方法
技术领域：
本发明属于一种分析及测量控制技术，具体地说涉及IPMC离子聚合物人工肌肉 材料的力和位移测试装置和测试方法。
背景技术：
IPMCdonic polymer-metal composites，离子交换膜金属复合物)是一种离子型 EAP电致动聚合物，其致动性能非常类似于生物肌肉，故称其为“人工肌肉”。IPMC材料质地 比较柔软，有弹性，较小的驱动电压即可产生较大的变形，可在潮湿环境下工作，而且生物 相容性佳，可制成细长条状等，它是一种适合于开发仿生机器人的材料，极具发展潜力。限 制其开发应用的主要是两个不足，一是输出力较小，二是对水环境或是潮湿环境的依赖。今 年来的大量研究主要集中在这两方面，以便进一步提高IPMC的性能和工业应用的可能性。力输出和形变位移是衡量IPMC性能的两个重要指标，目前国内外所用于IPMC位 移的测试可以分为三种(1)将IPMC置于有刻度的标尺前，拍摄IPMC的变形过程，通过带刻度的标尺读出 IPMC的形变位移。该方法可以获知IPMC的形变位移，但是精度不高，处理数据工作量大。 (Joao Barramba,Joao Silva,P. J. Costa Branco,Evaluation of dielectric gelcoating for encapsulation of ionic polymer-metal composite (IPMC) actuators, Sensors and ActuatorsA 140(2007)232-238)(2)用摄像机拍摄IPMC变形过程，在计算机中通过软件，计算IPMC形变前后的位 移差值。该方法可以准确获知IPMC形变前后的位移，但是处理数据工作量大，人工识别特 征点，操作亦繁琐(唐华平，姜永正，唐运军等，人工肌肉IPMC电致动响应特性及其模型，中 南大学学报(自然科学版)，2009，40(1) :153-158)。(3)用激光位移传感器实时测量IPMC的位移，计算机自动采集处理数据。该方法 可以实时测量IPMC试样某一点的形变，操作和数据处理快捷方便。该方法适合位移量不太 大的情况。(江宇，冯志华，贺竞，离子金属聚合物复合材料调节器的动态特性，武汉理工大 学学报，2007，29 (2) 5-7)国内外IPMC的输出力测试方法主要有以下两种(1)直接法力传感器直接接触IPMC，从而直接从力传感器系统软件得到IPMC的 输出力。该方法可以实时测量IPMC的顶端输出力，数据处理方便，但是小量程的力传感器 一般价格比较昂贵且容易损坏，信号采集系统搭建也比较复杂(Soon-Gie Lee,Hoon-Cheol Park, Surya D. Pandita, et al. Performance Improvement of IPMC(IonicPolymer Metal Composites)for a Flapping Actuator. 2006,4(6) :748_755)。(2)间接法将质量块悬挂于IPMC上，使得IPMC顶端形变为O的质量块的 重量为IPMC的输出力。或者通过在电子天平等称量设备上读取质量块重量的变化 从而得到IPMC的输出力。该方法简单易行，但是数据处理比较麻烦。(P.Brimetto， L Fortuna，P. Giannone, S.Graziani, et al. A resonant vibrating tactile probe forbiomedicalapplications based on IPMC, IEEE Sensor Journal,2008,8(8). 151-157)当前对于IPMC的力和位移测试系统都是零散拼凑在一起的，不是一个有机的整 体，而且不能在同时满足离水和在水两种环境中进行的性能测试，操作起来十分不方便，因 此亟待需要一套整合的装置，既能测试IPMC力学性能和位移输出，又能满足大气环境和水 环境测试的要求
发明内容

针对以上的技术背景，本发明研制了一套有机整合的装置测试装置，实现IPMC在 水环境下和离水环境中力和位移性能的测试。一种IPMC人工肌肉材料性能测试装置，其特征在于包括系统基架、安装于系统 基架上的位置调整装置、安装于位置调整装置上的试样夹装装置，还包括用于测试IPMC顶 端输出力的力传感器，和用于测试IPMC位移的位移传感器，还包括信号发生器和数据采集 处理模块。上述系统基架包括用于安装力传感器的顶板和设置有力传感器保护槽的支撑板， 顶板设有滑道，所述力传感器通过滑块安装于滑道内，不使用时可将力传感器沿滑道推至 支撑板的力传感器保护槽中，以免意外损坏，该支撑板设置有可拆卸的力传感器保护板。上述试样夹装装置夹持端包括两片用于夹持试样的电极，且电极与信号发生器相 连。上述试样夹装装置具体结构为包括夹持基座、夹持基板、固定于夹持基板的固定 夹头和可移动的移动夹头，夹头和电极之间设有绝缘层，移动夹头固定于连接杆一端，连接 杆上套装弹簧并穿过夹持基座的通孔安装，连接杆位于夹持基座外侧一端安装有调节移动 夹头夹持或打开的凸轮手柄。上述凸轮手柄的凸轮轮廓包含用于打开移动夹头的圆弧段轮廓和防止电极短路 的平台轮廓。通过弹簧保持电极夹头处于常闭状态夹紧试样，转动凸轮手柄使夹头打开，通 过凸轮平台的设计使电极处于分离状态，防止短路。上述系统基架位于试样夹装装置下方具有可拆卸的活动底板。将活动底板抽出， 将玻璃水容器放入，实现水中测试。通过活动底板的设计，不需移动力传感器，即可将力传 感器端部和试样置于水容器中测试。利用本发明的IPMC测试装置，可以直接对不同IPMC试样的力输出和位移输出性 能进行测定。操作简单，使用方便。


图1为本发明的IPMC性能测试装置组成图。图2为基架构造图。其中图2-1为主视图，图2-2为俯视图。图3为试样夹装装置图(工作状态，凸轮手柄处于夹紧位置)。图4为试样夹装装置图(非工作状态，凸轮手柄处于打开位置)。图中标号名称1为激光位移传感器，2为力传感器，3为夹装装置，4为移动装置， 5为垫脚，6为活动底板，7为玻璃容器，8为IPMC试样，9为系统基架，10为信号发生器，11 为数据采集处理模块，12为激光位移传感器支撑架，13为底板，14为支撑板，15为顶板，16为移动装置支撑架，17为固定夹头，18为绝缘层，19为金属电极，20为移动夹头，21为连接 杆，22为弹簧，23为夹持基板，24为夹持基座，25为凸轮手柄。具体实施方法下面结合附图对本发明作进一步说明。图1中，位移传感器1、力传感器2、夹装装置3和位置调整装置4固定于系统基架 9(图2)上。将条状IPMC人工肌肉试样8夹装于电极19之间，通过拨动凸轮手柄25夹紧 或打开电极夹头(图3和图4)。力测试时，将力传感器保护板(螺栓联接于支撑板14前 侧)取下，将力传感器推至工作位置，通过调整装置4使试样端部与力传感器2的探头接 触。位移测试时，将力传感器沿顶板15的滑道推至基架支撑板14的“L”形槽中，对力传感 器实施保护，通过调整装置4调节IPMC试样和激光位移传感器1之间的距离。由信号发生 器通过夹装装置上的电极19对IPMC试样施加电信号，力输出和位移输出信号由数据采集 处理模块进行采集并通过计算机进行处理。水中测试时，将活动底板6抽出，将玻璃容器7 放入后，再重新安装活动底板，不需移动力传感器，即可将力传感器和试样置于水容器中测 试，实现水中测试。本发明的力传感器2可以为高精度小型二维力传感器，位移传感器1可以为激光位移传感器。同时还可用摄像机拍摄IPMC相对刻度标尺的形变。采用力传感器直接测量 IPMC的顶端输出力。信号发生及数据采集处理模块用于产生电压激励信号，并将传感器输 出的模拟信号转化为数字信号，再将数据信号传输至计算机进行处理和分析；IPMC试样夹 装装置用于方便稳固地固定IPMC试样的一端；调整装置通过齿轮齿条机构和蜗轮蜗杆机 构可对试样位置可进行上下左右前后6个方向的调整；支架模块用于将力传感器、位移传 感器、夹装装置和调整装置进行固定，通过活动底板的设计，不需移动力传感器，即可将力 传感器和试样置于水容器中测试。在不使用力测试时，可对力传感器进行保护。
权利要求
一种IPMC人工肌肉材料性能测试装置，其特征在于包括系统基架、安装于系统基架上的位置调整装置(4)、安装于位置调整装置(4)上的试样夹装装置(3)，还包括用于测试IPMC顶端输出力的力传感器(2)，和用于测试IPMC位移的位移传感器(1)，还包括信号发生器(10)和数据采集处理模块(11)。
2.根据权利要求1所述的IPMC人工肌肉材料性能测试装置，其特征在于上述系统基架包括用于安装力传感器(2)的顶板(15)和设置有力传感器保护槽的支 撑板(14)，顶板(15)设有滑道，所述力传感器(2)通过滑块安装于滑道内，沿滑道可将力传 感器(2)推至支撑板(14)的力传感器保护槽中，且该支撑板设置有可拆卸的力传感器保护 板。
3.根据权利要求1所述的IPMC人工肌肉材料性能测试装置，其特征在于上述试样夹装装置(3)夹持端包括两片用于夹持试样的电极(19)，且电极与信号发生 器(10)相连。
4.根据权利要求1所述的IPMC人工肌肉材料性能测试装置，其特征在于上述试样夹装装置(3)具体结构为包括夹持基座(24)、夹持基板(23)、固定于夹持基 板(23)上的固定夹头(17)和可移动的移动夹头(20)，夹头和电极之间设有绝缘层(18)， 移动夹头(20)固定于连接杆(21) —端，连接杆上套装弹簧(22)并穿过夹持基座(23)的 通孔安装，连接杆位于夹持基座外侧一端安装有调节移动夹头(20)夹持或打开的凸轮手 柄(25)。
5.根据权利要求4所述的IPMC人工肌肉材料性能测试装置，其特征在于上述凸轮手柄(25)的凸轮轮廓包含用于打开移动夹头(20)的圆弧段轮廓和防止电极 (19)短路的平台轮廓。
6.根据权利要求1所述的IPMC人工肌肉材料性能测试装置，其特征在于上述系统基 架位于试样夹装装置(3)下方具有可拆卸的活动底板(6)。
全文摘要
一种IPMC人工肌肉材料性能测试装置，本发明属于一种分析及测量控制技术。其特征在于包括系统基架、安装于系统基架上的位置调整装置(4)、安装于位置调整装置(4)上的试样夹装装置(3)，还包括用于测试IPMC顶端输出力的力传感器(2)，和用于测试IPMC位移的位移传感器(1)，还包括信号发生器(10)和数据采集模块(11)。该装置能够实现IPMC在水环境下和离水环境中力和位移性能的测试。
文档编号G01L1/00GK101813533SQ201010133208
公开日2010年8月25日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者丁海涛, 于敏, 何青松, 张昊, 戴振东, 郭东杰 申请人:南京航空航天大学