一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术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系统。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。采用本发明专利技术的方法或系统测试方便简单，并且能够实现对封装后材料水合度的精确测量。

【技术实现步骤摘要】
一种离子聚合物金属复合材料水合度的测量方法及系统
本专利技术涉及电子
，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系统。
技术介绍
作为一种新型的智能材料，离子聚合物金属复合材料(IonicPolymerMetalComposite,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/T1034-1998《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。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。
技术实现思路
本专利技术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系统，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，本专利技术提供了如下方案：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：其中β(S)表达式为：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系统，所述系统包括：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。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术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专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术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为本专利技术实施例悬臂振动法的测试原理图；图3为本专利技术实施例IPMC悬臂梁受力模型；图4为本专利技术实施例测试装置结构示意图；图5为本专利技术实施例测试装置实物示意图；图6为本专利技术实施例干燥法测定的水合度；图7为本专利技术实施例悬臂振动法测定离子扩散系数；图8为本专利技术实施例IPMC水合度与粒子离子扩散系数之间的拟合关系；图9为本专利技术实施例封装后的水合度测量；图10为本专利技术实施例离子聚合物金属复合材料水合度的测量系统结构图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术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系统，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。为使本专利技术的上述目的、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专利技术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，水分会在空气中进本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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，另一端与激振器末端的连接，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。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.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：其中β(S)表达式为：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈世哲，谈峥，丁威，刘恒源，田凯丽，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37