CN109358096B - 一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法及*** - Google Patents

一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种离子聚合物金属复合材料IPMC水合度的测量方法及***。方法包括：对包含IPMC构成的悬臂梁结构输入外部激励信号；根据所述激励信号，得到IPMC末端变形量；根据所述变形量，得到IPMC产生的感应电流；根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号；将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型中，得到离子扩散系数；根据所述离子扩散系数，确定IPMC的水合度。采用本发明的方法或***测试方便简单，并且能够实现对封装后材料水合度的精确测量。

Description

一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法及***
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法及***。
背景技术
作为一种新型的智能材料，离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer MetalComposite,IPMC)具有传感特性，可广泛地应用于微型传感器及仿生器件。 IPMC材料的水合度将直接影响IPMC的传感特性。因此，IPMC材料水合度的测量对IPMC的工程应用具有重要的意义。
IPMC材料水合度定义为材料中含水量的大小，参照GB/T 1034-1998《塑料吸水性试验方法》，通过测量其水合后的含水IPMC材料的质量以及通过烘干后的干燥的IPMC材料质量，按照以下公式进行计算获得不同含水程度下的水合度。
Figure BDA0001879601120000011
目前，离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法采用干燥法，干燥法测量过程繁琐且耗时。在实际工程应用中，为了保证材料的传感性能，往往通过对IPMC材料进行外部封装，来维持材料水合度的稳定。在材料封装后，传统的干燥法将无法通过烘干材料获得材料的水合度，即传统方法只适用于在未封装的原始材料的水合度测定，而对封装后材料的水合度进行测定具有局限性。
因此，目前IPMC智能材料水合度的测定存在方法单一、且封装后无法采用干燥法对材料水合度进行测量的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法及***，测试方便简单，并且能够实现对封装后材料水合度的精确测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法，所述方法包括：
对包含IPMC构成的悬臂梁结构输入外部激励信号；
根据所述激励信号，得到IPMC末端变形量；
根据所述变形量，得到IPMC产生的感应电流；
根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号；
将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型中，得到离子扩散系数；
根据所述离子扩散系数，确定IPMC的水合度。
可选的，所述悬臂梁结构是通过将IPMC安装在测试平台上，通过夹持方式，将所述IPMC一端固定在平台支架上，另一端与激振器末端的连接，形成悬臂梁结构。
可选的，所述根据所述激励信号，得到IPMC末端变形量，具体包括：
根据输入所述激励信号，采用激光位移传感器测量IPMC末端变形量。
可选的，所述根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号，具体包括：
对所述外部激励信号和所述感应电流采用傅里叶变换，得到频域内的幅频信号和相频信号。
可选的，所述将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型中，得到离子扩散系数，具体包括：
将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型
Figure BDA0001879601120000021
中，得到离子扩散系数d；
其中，Y为材料的杨氏模量；W为材料宽度；d为离子扩散系数，h为材料厚度；K为材料常数，L为材料长度；
其中K为材料参数，表达式为：
Figure BDA0001879601120000022
其中β(S)表达式为：
Figure BDA0001879601120000031
上述式中，F为材料的法拉第常数，d为离子扩散系数，C为阴离子的浓度，ke为聚合物有效介电常数ΔV为容积变化，R为是气体常数，R为是气体常数。
可选的，所述根据所述离子扩散系数，确定IPMC的水合度，具体包括：
将所述离子扩散系数代入公式W＝kd+c，确定IPMC的水合度W；
其中，W为水合度，d为离子扩散系数,k,c为线性回归比例系数，所述系数通过实验经过线性拟合获得。
一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量***，所述***包括：
激励输入模块，用于对包含IPMC构成的悬臂梁结构输入外部激励信号；
变形量确定模块，用于根据所述激励信号，得到IPMC末端变形量；
感应电流确定模块，用于根据所述变形量，得到IPMC产生的感应电流；
幅频信号、相频信号确定模块，用于根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号；
离子扩散系数确定模块，用于将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型中，得到离子扩散系数；
水合度确定模块，用于根据所述离子扩散系数，确定IPMC的水合度。
可选的，所述变形量确定模块，具体包括：
变形量确定单元，根据输入所述激励信号，采用激光位移传感器测量IPMC 末端变形量。
可选的，所述幅频信号、相频信号确定模块，具体包括：
幅频信号、相频信号确定单元，用于对所述外部激励信号和所述感应电流采用傅里叶变换，得到频域内的幅频信号和相频信号。
可选的，所述水合度确定模块，具体包括：
水合度确定单元，用于将所述离子扩散系数代入公式W＝kd+c，确定IPMC 的水合度W；
其中，W为水合度，d为离子扩散系数,k,c为线性回归比例系数，所述系数通过实验经过线性拟合获得。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法，包括：对包含IPMC构成的悬臂梁结构输入外部激励信号；根据所述激励信号，得到IPMC末端变形量；根据所述变形量，得到IPMC产生的感应电流；根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号；将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型中，得到离子扩散系数；根据所述离子扩散系数，确定IPMC的水合度。上述方法测试方便简单，并且能够实现对封装后材料水合度的精确测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法流程图；
图2为本发明实施例悬臂振动法的测试原理图；
图3为本发明实施例IPMC悬臂梁受力模型；
图4为本发明实施例测试装置结构示意图；
图5为本发明实施例测试装置实物示意图；
图6为本发明实施例干燥法测定的水合度；
图7为本发明实施例悬臂振动法测定离子扩散系数；
图8为本发明实施例IPMC水合度与粒子离子扩散系数之间的拟合关系；
图9为本发明实施例封装后的水合度测量；
图10为本发明实施例离子聚合物金属复合材料水合度的测量***结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法及***，测试方便简单，并且能够实现对封装后材料水合度的精确测量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
作为一种非常有潜力的新型智能材料，研究表明，材料的驱动性能和传感性能与材料内部的水合度紧密相关，因此，材料的水合度的测量方法对研究材料的性能以及工程应用具有重要的价值。
目前，离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法采传统干燥法，传统干燥法作为直接测量IPMC材料水合度的重要方法，在测量精度上具有其他方法不可比拟的优势。但是，这种传统直接测量IPMC水合度的烘干法比较费时间，过程复杂。理论上需IPMC材料样本烘干到质量为一稳定不变值时才可称量，一般需要24h以上甚至几十小时，还需要高精度天平,干燥箱及电源等外部设备,此外在测量水合质量时，由于测量过程中，水分会在空气中进一步流失，测得的水合度存在一定的误差。
更为关键的是，这种方法无法对封装后的材料进行水合度的测定，一旦材料封装结束后，在实际的工程应用中，如果采用传统的烘干称质量的方法，对材料的封装层产生破坏。
在这一背景下，如何对封装后的IPMC材料的水合度进行测量，而又不破坏封装层，成为IPMC工程应用的一个非常关键的问题。因此，本专利申请提出了一种实用并且精度较高的IPMC水合度测量方法，可用于测量封装后的 IPMC材料中水合度，无疑具有重要的价值。
图1为本发明实施例离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法流程图。如图1所示，一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法，包括：
步骤101：对包含IPMC构成的悬臂梁结构输入外部激励信号；
步骤102：根据所述激励信号，得到IPMC末端变形量；
步骤103：根据所述变形量，得到IPMC产生的感应电流；
步骤104：根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号；
步骤105：将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型中，得到离子扩散系数；
步骤106：根据所述离子扩散系数，确定IPMC的水合度。
所述悬臂梁结构是通过将IPMC安装在测试平台上，通过夹持方式，将所述IPMC一端固定在平台支架上，另一端与激振器末端的连接，形成悬臂梁结构。
步骤102，具体包括：
根据输入所述激励信号，采用激光位移传感器测量IPMC末端变形量。
步骤104，具体包括：
对所述外部激励信号和所述感应电流采用傅里叶变换，得到频域内的幅频信号和相频信号。
步骤105，具体包括：
将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型
Figure BDA0001879601120000061
中，得到离子扩散系数d；
其中，Y为材料的杨氏模量；W为材料宽度；d为离子扩散系数，h为材料厚度；K为材料常数，L为材料长度；
其中K为材料参数，表达式为：
Figure BDA0001879601120000062
其中β(S)表达式为：
Figure BDA0001879601120000063
上述式中，F为材料的法拉第常数，d为离子扩散系数，C为阴离子的浓度，ke为聚合物有效介电常数ΔV为容积变化，R为是气体常数，R为是气体常数。
步骤106，具体包括：
将所述离子扩散系数代入公式W＝kd+c，确定IPMC的水合度W；
其中，W为水合度，d为离子扩散系数,k,c为线性回归比例系数，所述系数通过实验经过线性拟合获得。
图2为本发明实施例悬臂振动法的测试原理图。IPMC材料构成一个悬臂梁结构,材料一端固定，在IPMC悬臂梁结构的另一端，施加外部机械激励信号(弯曲形变)。在外部激励的作用，离子膜将产生形变，在材料内部产生电场。这时，通过外部电流/电压信号采集，就可以获取外部激励作用下，产生的信号响应。
图3为本发明实施例IPMC悬臂梁受力模型。结合IPMC外部激励作用下的受力情况，将IPMC作为一个悬臂梁结构，一段固定(z＝0)，另一端(z＝l) 在外部激励F(t)的作用下产生变形w(t)，IPMC梁的中心轴线位于x＝0处，IPMC 上下表面分别定义为x＝h以及x＝-h，IPMC的受力模型如图3所示。针对IPMC 电驱动模型的研究,Farinholt和Leo认为沿着长度z方向上,IPMC表面的电荷分布与同一位置所受到的应力成正比，利用这一结果作为求解的边界条件,建立末端变形与输出电流的关系。当输入外部机械振动激励w(s)的情况下，产生感应电流为i(s)，其传感动态模型的频率响应表达为：
Figure BDA0001879601120000071
上式中，d为离子扩散系数，依赖于水合度.实验证明，材料离子扩散系数与材料水合度的变化趋势具有一致性，其水合度与离子扩散系数之间的关系如下：
W＝kd+c 式2
其中，W为水合度，d为离子扩散系数,k,c为线性回归比例系数,这样通过构建悬臂振动测量装置，根据式1测量IPMC材料的离子扩散系数。并依据离子扩散系数与IPMC水合度之间的关系，如式2所示，就可以间接测量IPMC 材料内部的水合度。
图4为本发明实施例测试装置结构示意图。图5为本发明实施例测试装置实物示意图。如图4和图5所示，整个测量装置由小型激振***，外部激励位移激光测量单元，计算机控制单元及相关机械支撑等组成。
小型激振***包含了外部激振器以及功率放大器，功率放大器选择南京佛能公司与HEV-20高能激振器配套使用，组成一套小型的激振***。激振器末端与IPMC材料末端刚性连接，激振器振动将导致IPMC末端产生位移变形，从而形成外部激励的输入。IPMC末端激励输入的频率以及变形大小通过调节振荡功率放大器输出的频率以及驱动电流的大小来实现。
外部激励信号测量单元采用基恩士(IL-065)激光位移传感器，负责测量 IPMC末端的变形的大小，即实现外部激励输入的测量。
在施加外部激励后，IPMC材料末端将产生变形，变形将导致IPMC产生感应电流，实际产生的感应电压为毫伏级(通常在-10mV到+10mV之间)。IPMC 产生的微弱电信号经过放大后，通过NI的USB-6210多功能采集器进入计算机进行分析处理，包括对原始数据滤波及傅里叶变换，将时域信号转化到频域中，从而通过实验的方式得到IPMC的幅频特性和相频特性，获得其实验的传递函数。
确定水合度与离子扩散系数的过程中，采用同一片IPMC试样，同样的环境以及测试条件，分别采用干燥法，按照干燥法测量水合度的流程测定水合度；采用悬臂振动法按公式1测量试样的离子扩散系数。利用上述两种方法的测量结果进行比对，利用曲线拟合方法获得水合度与例子离子扩散系数之间的线性回归比例系数，从而建立水合度与离子扩散系数之间的线性经验公式。在后续的测试过程中，利用此公式，就可以通过测量IPMC材料的离子扩散系数，实现间接测定IPMC的内部水合度。
干燥法测量水合度的流程：
(1)试样的干燥质量的测量：将试样置于干燥箱中烘干，烘箱设定温度为50℃，烘干设定24h。然后将试样取出立即称量所得质量作为干燥质量。采用赛多利斯700D高精度电子天平BSA224S称量试样的质量。
(2)吸水饱和过程：将试样放入烧杯中，加入去离子水，煮沸30min后使试样达到吸水饱和状态，然后取出立即称量得到试样的饱和质量。实验进行时的环境条件保持室内温度23℃，湿度为50％。
(3)由吸水饱和状态开始实验，将试样静置于空气中自动失水，其实验质量由天平连接计算机自动记录测量则是每隔1min，采用赛多利斯700D高精度电子天平BSA224S称量试样的质量测量试样的实验质量。
(4)重复过程(3),采样周期40分钟，得到IPMC材料空气中的水合度变化曲线。
悬臂振动法测量离子扩散系数的流程：
采用悬臂振动法测量IPMC材料的离子扩散系数时，为了保证线性回归比例系数测定的准确性，采用同一片IPMC，相同的吸水饱和过程以及相同的环境条件，其基本流程如下：
(1)吸水饱和过程：将试样放入烧杯中，加入去离子水，煮沸30min后使试样达到吸水饱和状态。实验进行时的环境条件保持室内温度23℃，湿度为50％。将吸水后试样一端固定在测试平台的夹持装置上，另一端固定于激振***末端。
(2)激振***开始工作，将一定频率的外部激励施加到IPMC材料末端，使IPMC材料产生振动变形。测试过程中采用6Hz的振动频率。变形将导致 IPMC产生感应电流，感应电流将通过数据采集单元的放大电路，模数转换电路输入到计算机，
(3)采集到的信号进行傅里叶变换得到频域中的幅值和相位，实验数据同干燥法一样，每隔1min中采样一次，最终得到其传感特性的实验曲线。
(4)根据公式1，求解得到其离子扩散系数的变化曲线。
图6为本发明实施例干燥法测定的水合度；图7为本发明实施例悬臂振动法测定离子扩散系数。比较图6和图7，并相应的曲线进行线性拟合，可以得到IPMC材料的离子扩散系数与水合度曲线，如图8所示，图8为本发明实施例IPMC水合度与离子扩散系数之间的拟合关系。
图8表明IPMC材料的水合度与离子扩散系数之间的线性关系较好，能够满足对IPMC水合度测量的要求，可通过测量离子扩散系数来定量估计IPMC 中的水合度。上述测试采用铂型IPMC，对于其他类型的IPMC，如银型IPMC 材料，测量的方法和过程与此相同。
图9为本发明实施例封装后的水合度测量，从图9中可以看到封装条件下的水合度基本保持不变，这与实际的结果是一致的。
图10为本发明实施例离子聚合物金属复合材料水合度的测量***结构图。如图10所示，一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量***，包括：
激励输入模块201，用于对包含IPMC构成的悬臂梁结构输入外部激励信号；
变形量确定模块202，用于根据所述激励信号，得到IPMC末端变形量；
感应电流确定模块203，用于根据所述变形量，得到IPMC产生的感应电流；
幅频信号、相频信号确定模块204，用于根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号；
离子扩散系数确定模块205，用于将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型中，得到离子扩散系数；
水合度确定模块206，用于根据所述离子扩散系数，确定IPMC的水合度。
所述变形量确定模块202，具体包括：
变形量确定单元，根据输入所述激励信号，采用激光位移传感器测量IPMC 末端变形量。
所述幅频信号、相频信号确定模块204，具体包括：
幅频信号、相频信号确定单元，用于对所述外部激励信号和所述感应电流采用傅里叶变换，得到频域内的幅频信号和相频信号。
所述水合度确定模块206，具体包括：
水合度确定单元，用于将所述离子扩散系数代入公式W＝kd+c，确定IPMC 的水合度W；
其中，W为水合度，d为离子扩散系数,k,c为线性回归比例系数，所述系数通过实验经过线性拟合获得。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
对包含IPMC构成的悬臂梁结构输入外部激励信号；
根据所述外部激励信号，得到IPMC末端变形量；
根据所述变形量，得到IPMC产生的感应电流；
根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号；
将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型中，得到离子扩散系数，具体包括：
将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型
Figure FDA0002306442080000011
中，得到离子扩散系数d；
其中，Y为材料的杨氏模量；W为材料宽度；d为离子扩散系数，h为材料厚度；K为材料常数，L为材料长度，s＝2πf，f为频率，α0为电荷-应力耦合常数；
其中K为材料常数，表达式为：
Figure FDA0002306442080000012
其中B(s)表达式为：
Figure FDA0002306442080000013
上述式中，F为材料的法拉第常数，d为离子扩散系数，C为阴离子的浓度，ke为聚合物有效介电常数，ΔV为容积变化，R为气体常数，T为温度；
根据所述离子扩散系数，确定IPMC的水合度，具体包括：
将所述离子扩散系数代入公式W＝kd+c，确定IPMC的水合度W；
其中，W为水合度，d为离子扩散系数,k,c为线性回归比例系数，所述系数通过实验经过线性拟合获得。
2.根据权利要求1所述的离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法，其特征在于，所述悬臂梁结构是通过将IPMC安装在测试平台上，通过夹持方式，将所述IPMC一端固定在平台支架上，另一端与激振器的末端连接，形成悬臂梁结构。
3.根据权利要求1所述的离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法，其特征在于，所述根据所述外部激励信号，得到IPMC末端变形量，具体包括：
根据输入所述外部激励信号，采用激光位移传感器测量IPMC末端变形量。
4.根据权利要求1所述的离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法，其特征在于，所述根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号，具体包括：
对所述外部激励信号和所述感应电流采用傅里叶变换，得到频域内的幅频信号和相频信号。
5.一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量***，其特征在于，所述***包括：
激励输入模块，用于对包含IPMC构成的悬臂梁结构输入外部激励信号；
变形量确定模块，用于根据所述外部激励信号，得到IPMC末端变形量；
感应电流确定模块，用于根据所述变形量，得到IPMC产生的感应电流；
幅频信号、相频信号确定模块，用于根据所述外部激励信号和所述感应电流，得到幅频信号和相频信号；
离子扩散系数确定模块，用于将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型中，得到离子扩散系数；
水合度确定模块，用于根据所述离子扩散系数，确定IPMC的水合度；
所述离子扩散系数确定模块，具体包括：
离子扩散系数确定单元，用于将所述幅频信号和相频信号代入传感动态模型
Figure FDA0002306442080000021
中，得到离子扩散系数d；
其中，Y为材料的杨氏模量；W为材料宽度；d为离子扩散系数，h为材料厚度；K为材料常数，L为材料长度，s＝2πf，f为频率，α0为电荷-应力耦合常数；
其中K为材料常数，表达式为：
Figure FDA0002306442080000031
其中B(s)表达式为：
Figure FDA0002306442080000032
上述式中，F为材料的法拉第常数，d为离子扩散系数，C为阴离子的浓度，ke为聚合物有效介电常数，ΔV为容积变化，R为气体常数，T为温度；
所述水合度确定模块，具体包括：
水合度确定单元，用于将所述离子扩散系数代入公式W＝kd+c，确定IPMC的水合度W；
其中，W为水合度，d为离子扩散系数,k,c为线性回归比例系数，所述系数通过实验经过线性拟合获得。
6.根据权利要求5所述的离子聚合物金属复合材料水合度的测量***，其特征在于，所述变形量确定模块，具体包括：
变形量确定单元，根据输入所述外部激励信号，采用激光位移传感器测量IPMC末端变形量。
7.根据权利要求5所述的离子聚合物金属复合材料水合度的测量***，其特征在于，所述幅频信号、相频信号确定模块，具体包括：
幅频信号、相频信号确定单元，用于对所述外部激励信号和所述感应电流采用傅里叶变换，得到频域内的幅频信号和相频信号。
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