离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置

具体实施方式

如图1图2所示，一种离子聚合物-金属复合材料综合力电性能测试装置，包括基架8，基架8上设置有升降台7和Y向、X向移动平台9、10，其中，X向移动平台10上设置有可拆卸的试样夹具6；Y向、X向移动平台9、10可实现在水平面内两个方向调整位置，同时方便不同测试环境使用的样品夹具6的更换；升降台7上设置有用于传感测量的谐振位移输入装置2、用于试样力电测试的位移传感器1和用于试样顶端输出力测试的微力传感器3，通过升降台7可实现传感器在垂直平面内位置调整，方便不同测试目的的传感器1和3与谐振位移输入装置2的更换。

试样夹具6上方设置有用于试样变形测量的CCD相机4，用于IPMC材料超大变形和复杂变形条件下的变形测试。结合位移传感器使用时，修正位移传感器对末端位移的测量误差。

基架8上还设置有用于驱动试样位移或形变的功率放大器12、用于试样电响应的电流/电压测试板13及计算机系统14，其中，功率放大器12、电流/电压测试板13和试样5电连接构成电学性能测试回路；计算机系统14通过采集位移传感器1、微力传感器3、CCD相机4和电流/电压测试板13输出测量数据，生成激励信号通过功率放大器12对试样进行测量控制。

如图3所示，用于传感测量的谐振位移输入装置2包括一个连杆17和一个由马达驱动的凸轮16，凸轮16带动连杆17作往复(正弦)直线运动，连杆17末端通过带齿结构卡住试样伸出试样夹具的部分15，将往复直线运动的位移加载到试样5上。利用马达的转速调节往复运动频率。

如图4所示，所述试样夹具6由固定夹头20和可移动夹头18构成，可移动夹头18通过套装弹簧21的螺杆由松紧螺帽22预紧处于常闭合状态，固定夹头20和可移动夹头18之间设有与功率放大器12电连接的电极片19，电极片19之间夹持试样5。通过松紧螺帽22的调节可以控制夹持力的大小以适应不同厚度的样品。利用固定夹头上的螺孔，可以直接安装在试样水平调整X向移动平台10上，适于在空气中进行实验。

如图5所示，当试样需要测量水下性能时，将试样夹具6固定在特制的带挂孔的有机玻璃容器23壁上，然后将整个容器安装在试样水平调整X向移动平台10上，构成水下性能测试夹具装置。

如图6所示，电极片19，采用印刷电路板制作工艺，易于设计加工以适应不同测试样品，电极片末端焊点24与功率放大器12和电流/电压测试板13相连。在基板上刻蚀成L型铜箔导电带，边缘部分电极裸露作为和IPMC材料表面接触电极，尾部裸露部分作为焊点与激励电源相连，其它铜箔部分覆盖绝缘漆，绝缘性好。两片电极的铜箔向内贴装在夹头内侧，铜箔重合的长度方便调整以适于不同宽度的IPMC材料试样。

如图7所示，电流/电压测试板13包含一个放大器A，该放大器A的一个输入端通过单刀双掷的第一选择开关S1与功率放大器12两端及试样一端相连实现传感/致动特性测量选择，试样另一端与放大器A的另一个输入端相连，放大器A两个输入端间设置单刀单掷的第二选择开关S2实现致动和传感特性的电流/电压测量选择，放大器A的输入输出端之间跨接有第三单刀三掷选择开关S3，该选择开关S3通过三个不同阻值的电阻R1、R2、R3改变放大器A的放大倍数。其中通过在第二选择开关S2支路中串联精密低阻值采样电阻Rs，通过测量采样电阻两端压降来检测电流。

本发明中，基于计算机平台的激励源，包括计算机系统14和低频功率放大器12两部分。基于带有模拟输出功能的数据采集卡，通过计算机软件可以生成任意编制的信号。包括控制通断时间和幅值的直流信号；幅值、频率和波形可调的交流信号；一定低频频段内的扫频信号。这些信号经过功率放大器放大，用于测量了解不同激励下IPMC材料的不同力电特性。

本发明装置的工作原理：

测量IPMC材料的致动特性时，首先调整电流/电压测试板13上的开关S1置于m位置，S2处于闭合位置上；S3用于根据不同性能的IPMC材料响应电流/电压范围，选择合适的量程。在水下测试时，将电极夹具6安装在容器23上，然后整体安装在X向移动平台10上；在空气中测试时将夹具6直接安装在X向移动平台10上。利用计算机系统14设置好相应的激励信号，可以选择一定时间内的直流；不同频率、幅值和波形的交流以及扫频交流信号作为激励。然后根据实验目的选择测量材料的输出力还是位移。测量输出力时，图1中利用升降台7、Y向、X向移动平台9和10调整，使得微力传感器3的末端触头与IPMC试样5末端接触。实验开始时，首先计算机系统14给出激励信号，通过低频功率放大器12放大驱动材料，响应的力信号通过传感器3转化成模拟信号并被采集到计算机系统14中记录和分析。测量位移时，利用利用升降台7、Y向、X向移动平台9和10调整，使得激光位移传感器1的激光测点位于IPMC材料末端附近。实验开始时，首先计算机系统14给出激励信号，通过低频功率放大器12放大驱动材料，响应的位移信号通过传感器1转化成模拟信号并被采集到计算机系统14中记录和分析。当IPMC材料发生超大变形，或者经过特殊设计的IPMC材料样片发生复杂变形时，采用CCD传感器4来进行拍摄，以序列照片形式记录和分析。

测量IPMC材料传感特性时，首先调整电流/电压测试板13上的开关S1置于n位置。S2处于打开位置上时，测量响应的电压信号；处于闭合位置上时，测量响应的短路电流信号；S3用于根据不同性能的IPMC材料响应电流/电压范围，选择合适的量程。在水下测试时，将试样夹具6安装在容器23上，然后整体安装在X向移动平台10上；在空气中测试时将夹具6直接安装在X向移动平台10上。将谐振位移输入装置2安装在升降台7上，实现0相位的直线谐振运动，通过位置调整装置7、9、10调整到合适的位置，使导杆17末端齿结构卡住IPMC试样末端，设置马达频率带动凸轮16转动，利用电流/电压测试板13将电信号放大并被采集到计算机系统14中记录和分析。