一种同时提升IPMC传感器灵敏度和稳定性的方法技术

本发明专利技术公开了一种同时提升IPMC传感器灵敏度和稳定性的方法，是通过定量去除IPMC传感器中的部分水以获得最优含水率，并在最优含水率时对传感器封装。基于IPMC材料随着内部水含量不同，会导致基膜内部的聚合物网络具有不同初始压缩程度，从而决定了阳离子和水分子的迁移能力和聚合物网络储存容量的原理；同时，通过在最优含水率时对传感器封装，防止IPMC材料在不同介质中工作时，其内部的水或阳离子丢失，保证了材料的稳定性，得到同时具有高灵敏度和高稳定性的IPMC传感器。本发明专利技术的方法简单巧妙，利用IPMC材料的基本特性显著提升了其传感性能，从而促进IPMC传感器的实际工程应用。从而促进IPMC传感器的实际工程应用。从而促进IPMC传感器的实际工程应用。

【技术实现步骤摘要】
一种同时提升IPMC传感器灵敏度和稳定性的方法


[0001]本专利技术涉及传感器性能提升领域，特别涉及一种同时提升IPMC传感器灵敏度和稳定性的方法。

技术介绍

[0002]离子聚合物
‑
金属复合材料(IPMC)具有质量轻、可任意塑形以及响应迅速等独特优势，是近二十年来在致动、传感以及能量收集领域均极具应用潜力的新型柔性智能材料。作为典型的离子型传感材料，其自发电、柔韧性好、具有方向识别等特性，在检测位移、流速、压力等信息具有广阔的应用前景。
[0003]IPMC是由中间质子交换基膜和膜两侧表面的电极构成的三明治结构。基膜内部含有大量固定阴离子的聚合物分子链、溶剂和可自由移动的阳离子。IPMC材料在平衡状态时，基膜内的阴阳离子处于电中性。当IPMC受力弯曲时，由于弯曲两侧产生的应力梯度导致基膜内的阳离子和水分子向着弯曲一侧迁移，从而在两电极间产生了可检测的电信号。IPMC传感器的力电耦合效应是基于其内部阳离子和水分子的迁移实现，二者对IPMC传感性能的影响非常显著。不少研究者尝试采用有机溶剂代替水溶液，但由于有机离子分子直径远大于水分子，会大大降低离子在通道内的迁移速率从而影响传感性能。到目前为止，水基IPMC仍然是该领域的研究重点。
[0004]目前，大量研究表明：一方面，水基IPMC传感器的灵敏度还具有较大的提升空间，有待进一步深入研究；另一方面，裸露的IPMC在不同介质中工作时，极易失去水分子或阳离子，从而导致传感信号不稳定而不利于其应用；另外，IPMC传感器内部过量的水导致噪声增加，引起自振荡，从而影响其传感性能。但是，在实际应用中，IPMC传感器的灵敏度和稳定性均是非常关键的两个指标，因此，亟需同时提升IPMC传感器的灵敏度和稳定性以促进其实际工程应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种可以同时显著提升IPMC传感器灵敏度和稳定性的方法，以解决IPMC传感器存在灵敏度较低，在不同介质中工作时，基膜内的水分子和阳离子极易丢失而影响其稳定性等问题，进而促进IPMC传感器的实际工程应用。
[0006]本专利技术提出的一种同时提升IPMC传感器灵敏度和稳定性的方法，主要通过定量去除饱和含水率IPMC传感器中的水以获得最优含水率IPMC传感器，同时，对所述最优含水率IPMC传感器进行封装，具体步骤包括：
[0007]S1、通过称重法测试IPMC传感器的含水率w，将饱和含水率的IPMC传感器放置在空气中，随时间t变化时，得到每一个测试时刻下对应的实测含水率；
[0008]S2、在指定变形位移下测试饱和含水率的IPMC传感器在空气中随时间t变化时，得到每一个测试时刻下对应的传感响应曲线图；
[0009]S3、将S2中的每一个测试时刻下对应的传感响应曲线图分别进行傅里叶变换，得
到每一个测试时刻下对应的实测传感响应幅值，对所有实测传感响应幅值和S1中的所有实测含水率分别进行拟合处理，得到拟合曲线1和拟合曲线2；
[0010]S4、将S3中的拟合曲线1中的传感响应幅值的最高点对应的时间t代入到S3中的拟合曲线2中进行计算，得到t时刻下的最优含水率w
最优
；
[0011]S5、重复S1
‑
S4中的步骤，测试至少三个及以上的饱和含水率IPMC传感器样本，分别得到w
饱和1
、w
饱和2
、w
饱和3
和w
最优1
、w
最优2
、w
最优3
；
[0012]S6、将S5中每个饱和含水率IPMC传感器样本的饱和含水率和最优含水率分别相减得到一系列失水率w
失水
，确定获得最优含水率IPMC传感器时所需失水率w
失水
范围；
[0013]S7、通过称重法称量饱和含水率IPMC传感器，当IPMC传感器的失水率达到在S6中的w
失水
范围内时，立刻将其封装，得到高灵敏度和高稳定性的IPMC传感器。
[0014]进一步地，步骤S1和S2中的饱和含水率IPMC传感器均是保证从去离子水中浸泡12h以上，测试前，首先将饱和含水率IPMC传感器从去离子水中拿出，用吸水纸迅速擦干IPMC传感器表面多余的水分后，立即将其放置在传感测试夹上或精密电子天平上等待测试，该时刻即为t＝0min时刻。
[0015]进一步地，步骤S1和S2中的测试时间间隔保持一致，每隔n分钟(n＝0，1或2)测试一次，分别得到每一个时刻的传感响应曲线图和实测含水率，从t＝0min时刻算起直至1h及以上。
[0016]进一步地，步骤S1中含水率的计算公式为：
[0017][0018]其中m
t
为IPMC传感器的随时间变化的t时刻的瞬态质量，m
dry
为IPMC传感器完全干燥时的质量。
[0019]进一步地，所述IPMC传感器完全干燥时的质量m
dry
的测试方法为：
[0020]1)将饱和含水率IPMC传感器在80℃真空干燥箱中干燥12h，完全去除IPMC传感器中的水分；
[0021]2)从真空干燥箱中拿出IPMC传感器，冷却后立即称量其完全干燥时的质量m
dry
。
[0022]进一步地，所述拟合曲线1表达式y
拟合
＝a0+a1*t+a2*t^2+a3*t^3+a4*t^4+a5*t^5+a6*t^6+a7*t^7+a8*t^8+a9*t^9，其中a0至a9均为常数，t为时间，y
拟合
为传感响应幅值拟合数据。
[0023]进一步地，所述拟合曲线2表达式w
拟合
＝A1*exp(
‑
t/A2)+A0，其中A0至A2均为常数，t为时间，w
拟合
为含水率拟合数据。
[0024]进一步地，步骤S7中的封装方法采用套子封装，将柔性防水薄膜材料制作成宽度略大于传感器宽度的套子结构，长度是传感器长度的2倍以上，尾部引出正、负两个电极，再将具有最优含水率IPMC传感器直接放入提前准备好的柔性薄膜套子中，通过真空塑封机对柔性薄膜封口，采用防水胶对套子尾部进行进一步密封处理。
[0025]进一步地，步骤S7中的封装材料选用柔性防水薄膜材料，聚乙烯、聚烯烃收缩膜、聚氯乙烯膜或聚二甲基硅氧烷。
[0026]进一步地，步骤S7中通过对同一个饱和含水率IPMC传感器，在不同失水率条件下，分别对其进行封装测试，对比不同失水率条件下封装后的传感响应结果；通过对饱和含水
率IPMC传感器，对比裸露时和具有最优含水率时封装的IPMC传感器的灵敏度和稳定性。
[0027]本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点：
[0028](1)本专利技术通过定量去除IPMC传感器中部分水以获得最优含水率，即获得最优的聚合物网络初始拉伸状态，从而获得最优的传感响应；
[0029](2)本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同时提升IPMC传感器灵敏度和稳定性的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、通过称重法测试IPMC传感器的含水率w，将饱和含水率的IPMC传感器放置在空气中，随时间t变化时，得到每一个测试时刻下对应的实测含水率；S2、在指定变形位移下测试饱和含水率的IPMC传感器在空气中随时间t变化时，得到每一个测试时刻下对应的传感响应曲线图；S3、将S2中的每一个测试时刻下对应的传感响应曲线图分别进行傅里叶变换，得到每一个测试时刻下对应的实测传感响应幅值，对所有实测传感响应幅值和S1中的所有实测含水率分别进行拟合处理，得到拟合曲线1和拟合曲线2；S4、将S3中的拟合曲线1中的传感响应幅值的最高点对应的时间t代入到S3中的拟合曲线2中进行计算，得到t时刻下的最优含水率w
最优
；S5、重复S1
‑
S4中的步骤，测试至少三个及以上的饱和含水率IPMC传感器样本，分别得到w
饱和1
、w
饱和2
、w
饱和3
和w
最优1
、w
最优2
、w
最优3
；S6、将S5中每个饱和含水率IPMC传感器样本的饱和含水率和最优含水率分别相减得到一系列失水率w
失水
，确定获得最优含水率IPMC传感器时所需失水率w
失水
范围；S7、通过称重法称量饱和含水率IPMC传感器，当IPMC传感器的失水率达到在S6中的w
失水
范围内时，立刻将其封装，得到高灵敏度和高稳定性的IPMC传感器。2.根据权利要求1所述的一种同时提升IPMC传感器灵敏度和稳定性的方法，其特征在于，步骤S1和S2中的饱和含水率IPMC传感器均是保证从去离子水中浸泡12h以上，测试前，首先将饱和含水率IPMC传感器从去离子水中拿出，用吸水纸迅速擦干IPMC传感器表面多余的水分后，立即将其放置在传感测试夹上或精密电子天平上等待测试，该时刻即为t＝0min时刻。3.根据权利要求1所述的一种同时提升IPMC传感器灵敏度和稳定性的方法，其特征在于，步骤S1和S2中的测试时间间隔保持一致，每隔n分钟(n＝0，1或2)测试一次，分别得到每一个时刻的传感响应曲线图和实测含水率，从t＝0min时刻算起直至1h及以上。4.根据权利要求1所述的一种同时提升IPMC传感器灵敏度和稳定性...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡桥，杨倩，朱子才，刘钰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：