一种针对IPMC人工肌肉材料综合性能测试的实验平台

技术领域

本发明涉及的是一种材料性能测试的实验平台，具体地说是IPMC人工肌肉 材料性能测试的实验平台。

背景技术

IPMC（Ionic Polymer-Mental Composites，离子聚合物金属复合材料）作为 一种新型EAP智能材料，受到国内外的广泛关注。因其致动性能类似于“人工 肌肉”，故被广泛称之为人工肌肉材料。此材料自身克服了传统机械的部分缺点， 且凭借其质量轻、低电压条件下能够获得较大致动位移、噪音低等优点，具有 较大的应用前景。

实验方法作为研究IPMC材料性能的重要手段，对推进材料自身性能以及 后期推广应用具有重要作用，很多重要的性能优化都是首先在实验条件下获得 的。传统意义来说，实验测试的方式比较简单，并没有形成一套完整、标准的 IPMC人工肌肉材料性能测试实验平台。在现阶段性能研究中，主要是IPMC 人工肌肉材料性能测试平台，其较为巧妙的结构设计相对于传统的简易平台来 说已经是一个巨大的突破与创新。但随着研究的不断深入，测试内容不断扩大， 对实验平台测试功能提出了新的要求。IPMC人工肌肉材料研究的费用比较高， 实验过程所需参数较为繁杂，且没有一套较完善的实验设备，这些不利因素对 于实验结果测试来说也是一个巨大的瓶颈。因此，如何利用简单、可靠的实验 平台，评估IPMC人工肌肉材料的性能并为实际应用提供可靠依据，仍是现阶 段亟需解决的问题。现阶段的测量平台仅限于简单实验数据的获取，测量的因 素不够全面，并且在平台局部结构方面需要不断进行优化与创新。因此，研究、 制造一种具有综合、精确、稳定和方便的IPMC人工肌肉材料综合测试实验平 台是一项十分重要的任务。

发明内容

本发明的目的在于提供操作方便、功能齐全、测量精确的一种针对IPMC人 工肌肉材料综合性能测试的实验平台。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种针对IPMC人工肌肉材料综合性能测试的实验平台，其特征是： 包括试样夹持模块、试样拉力测试模块；试样夹持模块包括量角器、两个金属 电极，试样夹在两个金属电极之间，两个金属电极的外部分别设置第一绝缘层 和第二绝缘层，第一绝缘层右侧依次设置移动挡板、推板，移动挡板和推板之 间安装水平光杆，水平光杆上套装弹簧，推板右侧设置丝杠底座，丝杠底座里 安装中空的微调丝杠，推板上设置通孔，微调丝杠的左端安装在推板上的通孔 里，当微调丝杠带动推板向左移动时，水平光杆进入微调丝杠里，微调丝杠的 右端安装微调手轮，量角器设置在试样的后方，量角器的角度中心位于试样的 下端部；试样拉力测试模块包括腔体，腔体的上方开有上通孔，腔体的下方开 有下通孔，上通孔里安装测力输入轴，上通孔里安装测力输出轴，测力输入轴 和测力输出轴各有一个端部位于腔体里，两个端部之间安装中间开有滑槽的平 衡滑道导杆，平衡滑道导杆与两个端部均铰接，腔体上开有上通孔一侧的内壁 设置支点位移显示盘，该侧对面的内壁开有长条孔，平衡支点的一端安装在滑 槽里，另一端通过螺栓安装在长条孔里，平衡支点的位置可通过滑槽和长条孔 调节，腔体和拉力传感器通过各自的支架安装在拉力底座上，测力输出轴位于 腔体外的端部连接拉力传感器，测力输入轴位于腔体外的端部为圆锥状，圆锥 状的端部与试件接触。

本发明还可以包括：

1、试样夹持模块、试样拉力测试模块均安装在进给模块上，进给模块包括 垂直进给机构、水平进给机构，垂直进给机构包括支撑座、支撑杆、丝杠、螺 纹滑块、垂直底座，螺纹滑块内部设置螺纹孔，螺纹滑块通过螺纹孔安装在丝 杠上并与丝杠相配合，支撑杆的a端为齿轮状端部，b端与螺纹滑块铰接，所 述的支撑杆包括四个，螺纹滑块包括两个，第一支撑杆和第二支撑杆的a端安 装在支撑座上并相互啮合，第三支撑杆和第四支撑杆的a端安装在垂直底座上 并相互啮合，第一支撑杆和第三支撑杆的b端与第一螺纹滑块铰接，第二支撑 杆和第四支撑杆的b端与第二螺纹滑块铰接，丝杠的一端固定有手轮，试样夹 持模块的丝杠底座固定在支撑座上；水平进给机构包括平台底座，平台底座里 铺设滑轨，滑块安装在滑轨上，滑块内部设置螺纹孔，驱动丝杠安装在滑块内 部并与螺纹孔相配合，驱动丝杠的一端固定有驱动手轮，垂直进给机构的垂直 底座固定在滑块上，拉力底座固定在平台底座上。

2、还包括试样位移测试模块，试样位移测试模块包括位移支架、激光位移 传感器，激光位移传感器通过支撑肋板安装在位移支架上，支撑肋板可在位移 支架上移动。

本发明的优势在于：本发明能够比较综合、准确地完成实验过程中所需测 试的内容；平台的各个组件之间是可拆卸的，并能根据实验目的及要求进行相 应实验组件间的模块化搭接；试样夹持模块设计可以根据需要对实验的夹持力 进行精确设定，避免了由于盲目夹持对试样性能造成的不利影响；由于试样在 通电致动时力的作用较小，拉力测试装置可以实现对力的放大，极大的提高了 实验装置的测量精度；实验平台水平和垂直进给机构通过丝杠传动，能够快速、 准确地实现IPMC人工肌肉材料试样的进给与定位；本实验平台多处采用肋板 结构，较好地保证了平台在实验过程中的刚度及稳定性；实验过程采用非接触 测量的方法，避免测量过程中人为因素的干扰；实验平台总体具有结构简单， 操作容易，制作成本低廉，体积小，日常维护方便，噪声低，不受实验验条件 限制且无污染等诸多特点。

附图说明

图1为本发明的试样夹持模块结构图；

图2为本发明的试样拉力测试模块结构图；

图3为本发明的水平进给机构结构图；

图4为本发明的水平进给机构截面图；

图5为本发明的垂直进给机构结构图；

图6为部分性能参数采集流程图；

图7为本发明总体装配图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～7，本发明主要由IPMC人工肌肉材料试样夹持模块I、试样拉 力测试模块II、试样位移测试模块III、试样电学性能测试模块IV、进给模块 V以及数据采集单元及仪器装配模块VI等六部分构成。其中，试样电学性能测 试模块IV主要包括试样电流测试系统、试样电阻测试系统和试样杨氏模量测试 系统；进给模块V主要由水平进给机构与垂直进给机构组成。

IPMC人工肌肉材料试样夹持模块I主要由绝缘层14、金属电极12、移动 挡板3、推板5、弹簧4、力显指针10、力显刻度盘13、微调丝杠7、丝杠底座 9、微调手轮8、螺钉6、水平光杆11、量角器1及夹持部分腔体15共同组成。 量角器1通过螺钉与试样夹持部分固结，其角度中心设置在IPMC人工肌肉材 料试样2底部中心，目的是在IPMC人工肌肉材料试样2摆动过程中，测量摆 角。IPMC人工肌肉材料试样2经由附着于夹持部分腔体内部的绝缘层14内侧 金属电极12夹持，牢固可靠。移动挡板3一端与弹簧4相连，为保证弹簧4在 压缩过程中的均匀压缩量，在弹簧4内部通有水平光轴11；弹簧4另一端与推 板5相连，推板5及右端微调丝杠7中心设有通孔，其直径略大于水平光轴11， 目的是在弹簧4压缩过程中，水平光轴11不会限制推板5、微调丝杠7等器件 的水平进给。推板5底端附有力显指针10，其顶端置于力显刻度盘13上方， 方便在弹簧4形变又能够准确读数。推板5通过微调手轮8、微调丝杠7、丝杠 底座9等实现水平方向进给，为保证实验过程的稳定性，丝杠底座通过四个螺 钉6与夹持部分腔体15底端固定。为保证实验数据的准确性，此部分在设计过 程中，各接触面较为光滑，相对摩擦较小，忽略不计。

IPMC人工肌肉材料试样夹持模块I具体工作原理：

旋转微调手轮8，通过微调丝杠7与丝杠底座9的相对运动，实现微调丝 杠7的水平进给。微调丝杠7端部与推板5右侧光滑接触，在运动过程中，带 动推板5共同向左侧平移。通过推板5的水平向右运动，致使夹持部分腔体15 内部弹簧4形变压缩，在水平光轴11保证其均匀形变的前提下，通过移动挡板 3将弹性力传递给弹簧左侧的绝缘层14以及附着于绝缘层14左侧的金属电极 12，继而对IPMC人工肌肉材料试样2起到夹持作用。通过控制微调丝杠7的 进给量，进而控制弹簧4的形变量，通过读取力显指针10在力显刻度盘13上 的读数，并依据胡克定律，计算出弹簧4产生的弹性力大小，从而获得IPMC 人工肌肉材料试样两端表面所受的夹持力。由于随着实验数据采集种类需求增 多，实验过程中的不确定因素越来越复杂，试样表面夹持力的大小对实验结果 的影响也不得不纳入考虑范围内。当上述工作准备就绪，根据信号发生器发出 实验需要的指令脉冲，在金属电极12通电情况下，IPMC人工肌肉材料试样2 将开始以一定角度连续地左右摆动，通过观察IPMC人工肌肉材料试样2顶端 的摆动幅度，读取量角器1上显示的示数，采集并记录IPMC人工肌肉材料试 样2的摆角。

结合图2和6，试样拉力测试模块主要由测力输入轴17、平衡滑道导杆20、 平衡支点21、支点位移显示盘19、拉力测试模块腔体18、测力输出轴25、拉 力传感器26、螺钉27、螺栓22、弹簧垫圈23、螺母24、数据采集模块、显示 PC以及支架16和28组成。支架16上端的拉力测试模块腔体18两端各有一个 圆形通孔，其内径略大于测力输入轴17与测力输出轴25直径，内壁光滑，使 测力输入轴17和测力输出轴25在运动过程中所受阻力尽可能小。测力输入轴 17一段为圆锥状，目的是在与IPMC人工肌肉材料试样2顶端顶端接触过程中， 保持点与面的接触，使位置更加精确；测力输入轴17另一侧与平衡滑道导杆 20为铰链连接，保证相对运动过程中的光顺性，减小实验误差。上述测力输入 轴17、平衡滑道导杆20以及测力输出轴25均为轻质杆，质量忽略不计。平衡 支点21底端与拉力测试模块腔体18右侧端面通过螺栓22固定，拉力测试模块 腔体18右侧端面加工有长条孔，方便平衡支点与端面在任意位置固结，以便设 定任意放大比例系数；比例系数可以通过置于拉力测试模块腔体18内部的支点 位移显示盘19读取，通过平衡支点两端的长度比求得。测力输出轴25与通过 螺钉27固结在支架28顶端的拉力传感器26输入端相连，实现整体力的传递过 程。

试样拉力测试模块II具体工作原理：

由于IPMC人工肌肉材料2在致动过程中作用力较小，对拉力传感器26的 精度有较高要求，为了节约实验所需费用，设计了拉力放大装置实现拉力的放 大，显著提高测量过程的精度。在实验过程中，调整IPMC人工肌肉材料试样 2顶端位置，使其与测力输入轴圆锥状顶端相接触，且保持各杆处于自由状态， 测力输入轴17与测力输出轴25水平放置，平衡滑道导杆垂直放置，各方向合 力为零。通过观察支点位移显示盘19上的示数，将平衡支点固定于实验设定位 置，保证支点两端的杆长比例。当IPMC人工肌肉材料试样2两端金属电极通 电时，试样顶端将开始左右规律性摆动，进而将推力传至测力输入轴17；根据 杠杆原理，将推力进行等比例放大，并以拉力的形式输出，从而传递至拉力传 感器26，数据经由数据采集单元的数据采集卡接收，传输给PC，通过数据采 集单元的LabVIEW软件进行分析与处理,完成拉力测试过程。

结合图3、4、5，实验平台进给模块V由两部分构成，即水平进给机构与 垂直进给机构。水平进给机构主要由平台底座37、轴承端盖34和30、角接触 球轴承32、驱动丝杠35、滚珠滑轨36、滑块31、驱动手轮33、换相开关38、 滚珠39以及螺钉29构成。平台底座37为空腔结构，底端铺设滑轨36；滑块 31置于滑轨36上，与滑轨36通过滑槽与滚珠39相配合，实现滑块31在水平 进给过程中的平滑运动，提高运动平稳度。滑块31内部有螺纹孔，中间通有驱 动丝杠35，目的是通过驱动丝杠35的旋转向滑块31提供进给动力。利用一对 角接触球轴承32限制驱动丝杠35的周向运动，以及对丝杠35的轴向位置进行 定位。角接触球轴承32分别被限制在轴承端盖34内部，通过螺钉29与平台底 座37相固结。利用导线设计类似于继电器的换相开关38通过螺钉29焊接在平 台底座的左下方。垂直进给机构由底座44、支撑座43、支撑杆42、丝杠41、 螺纹滑块40、手轮45等构成。支撑杆42一端为齿轮状端部，目的是在支撑架 42位置、角度变化的情况下，依靠齿轮啮合，保证垂直进给机构支撑板43的 平稳提升；另一端铰接于螺纹滑块40两侧，且采用双片连接的方式，减轻了杆 件的重量，节约了加工成本。螺纹滑块40内部加工有螺纹孔，中间通有丝杠。 丝杠一段装有手轮45，用以实现丝杠41的旋转运动。支撑座43上端铰有螺纹 孔，方便实现与试样夹持模块I的联接。

水平进给机构具体工作原理：

通过旋转驱动手轮33，带动驱动丝杠35与之同步转动。通过螺纹的啮合， 驱动丝杠35将动力传递至置于滑轨36上端的滑块31。滑轨36协同其顶端垂 直进给机构在驱动丝杠35旋转动力驱动下，沿着滑轨36做水平直线运动。当 进给到适当位置时，驱动手轮33停止转动，滑块31保持此时位置，完成实验 前的准备操作。

垂直进给机构具体工作原理：

当水平位置固定后，通过旋转手轮45，带动驱动丝杠41旋转，通过螺纹 滑块40内部螺纹的啮合以及支撑杆42的限制，螺纹滑块40将向内侧运动。通 过支撑座43顶端齿轮的啮合，实现等角度旋转，保证垂直进给的平稳性。

通过水平进给机构与垂直进给机构的相互配合，实现实验平台试样夹持模 块I在x、y方向精确稳定的进给。

结合图6和7，试样的位移测试模块III主要由激光位移传感器46、信号发 生器、示波器、试样夹持装置I、IPMC人工肌肉材料试样2、支撑肋板、数据 采集单元、显示PC及螺钉29组成。利用螺钉29将激光位移传感器46固定于 支撑肋板上，支撑肋板可以移动，调节激光位移传感器46在实验中的位置。同 时，底侧也采用支撑肋板结构，利用螺钉29固定在平台的左侧，保证了平台在 实验过程中的刚度及稳定性。

试样位移测试模块III具体工作原理：

IPMC人工肌肉材料试样2在信号发生器发出的脉冲信号响应下进行摆动， 采用非接触测量的方式，利用固定在支撑肋板上的激光位移传感器46测量 IPMC人工肌肉材料试样2尖端位移，数据经由数据采集单元数据采集卡接收， 传输给PC，通过数据采集单元的数据采集软件LabVIEW进行分析与处理,完 成位移的测试过程。

结合图6和7，试样电流测试系统主要由电流传感器、数据采集单元、显示 PC、实验电源、IPMC人工肌肉材料试样2、信号发生器、示波器、试样夹持模 块I及进给模块V共同组成。实验过程中，为了减小传感器对测量电路产生影响， 通常选用霍尔传感器；数据采集单元分为硬件和软件两部分：硬件主要是数据 采集卡等，可以根据实验控制的需求选购；软件通常选用LabVIEW，进行处理、 分析。

试样电流测试系统具体工作原理：

信号发生器在实验中提供控制信号，传输给IPMC人工肌肉材料试样2，根 据不同的通电状态下，试样表面电阻不同，IPMC人工肌肉材料试样2会产生不 同的瞬态电流，通过电流传感器对电流获取并传输给数据采集单元的数据采集 卡，利用数据采集软件labVIEW进行处理和分析。

试样电阻的测试系统，主要由四探针电阻率测试仪、实验电源、IPMC人 工肌肉材料试样2、信号发生器、示波器、试样夹持模块I及进给模块V组成。 实验设备不需设计，根据需要直接进行购买即可。

试样电阻测试系统具体工作原理：

将四探针电阻率测试仪放于需要测试的IPMC人工肌肉材料试样2的表面直 接对表面电阻进行测试，测试结果数据可直接显示在测试仪屏显上。

结合图2、3、4、7，试样杨氏模量测试系统主要由激光位移传感器46、微 力传感器、实验电源、IPMC人工肌肉材料试样2、信号发生器、示波器、试样 夹持模块I、进给模块V构成。

试样杨氏模量测试系统具有工作原理：

实验过程中，采用位移测试模块III和去除拉力放大装置的拉力测试模块搭 接而成。利用微力传感器在初始的状态下给IPMC人工肌肉材料试样2施加一 个作用力，使用微力传感器测试出作用力，同时，利用激光位移传感器46测试 出瞬时的位移，两个测量结果经由数据采集单元的数据采集卡传输给PC，利用 数据采集单元中的数据采集LabVIEW软件进行分析与处理。过程分析时，将 IPMC人工肌肉材料试样2看做矩形悬臂梁的模型，可通过公式δ=PL³/3EI计算 所求结果，其中δ表示测力位移，P表示自由尖端作用力，L表示试样长度，I 表示转动惯量，可等效为矩形截面悬臂梁I=bh³/12,其中b表示试样宽度，h表 示试样厚度，E表示杨氏模量，即为所求值。数据的后处理过程中，可在MATLAB 定义一个函数方程，通过输入函数矩阵获取输出函数矩阵。

在实验室开始前，根据实验要求，快速进给模块V中的水平进给机构和垂 直进给机构的手轮33、45来实现IPMC人工肌肉材料试样在x、y方向的进给 和定位。将实验电源、四探针电阻率测试仪、信号发生器、示波器、数据采集 单元、显示PC完成实验前的调试。实验过程中，将制备完成的IPMC人工肌 肉材料试样2通过夹持装置实现夹紧固定。利用信号发生器与示波器提供实验 所需脉冲，将其传递给IPMC人工肌肉材料试样2，实现IPMC人工肌肉材料 试样2的摆动。通过激光位移传感器46获取IPMC人工肌肉材料试样的位移信 号，利用数据采集单元将测试结果通过PC显示出来，进行分析与处理；在拉 力测量过程中，IPMC人工肌肉材料试样2碰触输入轴17的尖端，通过拉力放 大装置将放大后的拉力传输给拉力传感器26，利用数据采集单元将测试结果通 过PC显示出来，进行分析与处理；IPMC人工肌肉材料试样2的角度可利用量 角器1进行瞬时测量，也可通过摄像设备进行全过程的采集；根据实验要求， IPMC人工肌肉材料试样2的表面电阻可利用四探针电阻率测试仪进行测试； 在试样夹持模块I的金属电极12处接入的电流传感器在实验过程中可以对 IPMC人工肌肉材料试样2表面电流进行测试，经由数据采集单元并通过PC显 示瞬时电流与时间的关系曲线。