基于PXI虛擬儀器的IPMC輸出力測試

徐 兵，趙 揚，鄭高峰，莊明鳳，黃偉偉，王 偉

（廈門大學物理與機電工程學院，福建 廈門361005）

離子聚合物金屬復合物（ionic polymer metal composites，IPMC）是一種離子型的電致動聚合物，由離子交換膜和上下兩層金屬電極層構成，是類似“三明治”的結構，具有柔性好、質量輕、生物兼容性好以及在低電壓驅動下產生大變形等特點，在軟驅動、仿生驅動等領域有廣泛的應用前景［1－3］.目前IPMC的應用主要有仿生機器魚［4－6］、微泵［7－8］、微操作器［9］、微撲翼裝置［10－11］等.IPMC輸出力一般在毫牛級別，本文根據IPMC的輸出力特點設計了力學測試系統，利用NI公司面向儀器系統的PCI擴展（PCI extensions for instrumentation，PXI）虛擬儀器平臺，通過LABVIEW采集測量信號并進行處理分析，可實時直觀地得到IPMC的輸出力變化規律.

1 IPMC的制備方法

IPMC材料主要由離子交換膜基體及其兩側金屬電極構成.在IPMC材料厚度方向上施加電場，材料會向陽極方向產生彎曲變形.目前，IPMC的制備主要采用化學鍍的方法，相比于電鍍、蒸鍍、濺射等方法，化學鍍可以形成更加致密的金屬鍍層，而且與離子交換膜基體材料的黏附性好.IPMC的基膜可采用美國杜邦公司的Nafion－117商用薄膜以及采用美國杜邦公司的Nafion溶液利用蒸發的方法自行澆鑄成膜.不同基膜IPMC的制備均可采用如下方法：

1）基膜剪裁與粗化：裁剪適當大小的離子基膜，為了有利于金屬電極更好的沉積，用砂紙打磨粗化；

2）基膜清洗：先通過超聲清洗30min，再用體積分數為0.5%的稀硫酸加熱至80℃清洗1h，用去離子水煮沸30min，用體積分數為15%的雙氧水煮沸清洗30min，用去離子水煮沸清洗30min；

3）離子交換過程：將清洗好的基膜浸泡在體積分數為0.5%的稀硫酸中，使其成為H＋型陽離子交換膜，然后將基膜放入［Pt（NH3）4］Cl2溶液中浸泡14h左右，使得鉑離子滲入到薄膜內部與H＋實現離子交換；

4）化學還原反應：取出離子交換膜放入去離子水中，加熱至40℃，每30min升高10℃并加入質量分數0.5%硼氫化鈉，溫度升至60℃后，加入足量的硼氫化鈉保證鉑離子還原完全.

將還原得到的IPMC放入［Pt（NH3）4］Cl2溶液中，加熱至40℃，每30min升高10℃并加入體積比為2∶1的質量分數為0.5%氯化羥胺和體積分數為20%水合肼，溫度升至60℃后，再加入足量的氯化羥胺和水合肼，實現二次還原反應并形成致密的電極層；

5）將得到的IPMC樣品保存在LiCl溶液中，經上述方法制得的IPMC樣品如圖1所示，在電壓下驅動的變形效果圖如圖2所示.

圖1 IPMC樣品Fig.1 IPMC sample

圖2 IPMC驅動變形Fig.2 Deformation of IPMC under DC voltage

2 測試系統設計

IPMC作為柔性驅動裝置，其輸出力一般在毫牛級別，在測試系統中需選用微力傳感器進行測量.IPMC力學特性測試系統主要由PXI虛擬儀器平臺、NI數據采集卡（PXIe－6361）、微力傳感器（XH11－50g）及變送器、雙路直流穩壓電源、Agilent 33522A雙通道任意波形發生器、功率放大電路構成，如圖3所示.測試系統中選用的數據采集卡是NI公司的PXIe－6361數據采集卡，該數據采集卡具有模擬輸入和輸出的功能，最大模擬輸入電壓在±10V，最大采樣頻率為2 MS／s，最大電壓范圍下的采樣精度為1.74mV，可提供所需的采樣頻率和采樣精度.該測試系統中可提供0～30V的直流電壓，可提供正弦波的頻率范圍為1 μHz～30MHz，分辨率為1μHz，系統的測力量程0～500mN，輸出靈敏度（0.3±0.2）mV／V.由于IPMC輸出力一般在毫牛級別，因此該系統的測力量程完全可以滿足IPMC的輸出力測試要求，同時在測量之前，需采用標準砝碼對測力傳感器進行標定.

測試系統的工作原理為波形發生器發出驅動信號，通過功率放大電路進行放大后，驅動IPMC發生形變；力傳感器感知力信號后，通過變送器將其轉化為電壓信號，由數據采集卡采集，傳輸到由LABVIEW編寫的測試軟件中進行信號處理，并將信號顯示，從而得到IPMC的輸出力的測量結果.

圖3 IPMC輸出力特性測試系統Fig.3 The IPMC blocking force test system

3 測試軟件實現

在測試系統中，通過LABVIEW軟件來實現力信號的采集和處理.測試軟件界面如圖4所示，測試軟件主要由4大功能模塊組成，從左至右依次為采樣參數設置模塊、采樣數據處理模塊、波形數據顯示模塊、測試結果模塊等.

圖4 程序前面板Fig.4 The front panel program diagram

數據采集模塊使用NI－DAQ助手進行編程，對IPMC在一段時間內的輸出力進行采集.圖5為數據采集的流程圖.具體的采集流程是首先選定數據采集的物理通道、采樣頻率、采樣模式和采樣時間等參數，然后數據采集卡根據設定對力傳感器進行信號采集，通過波形圖控件直接觀察采樣時間內力信號的變化是否正確，從而確定是否重新進行采集.由于IPMC的輸出力很小，為了更精確地觀察IPMC輸出力的變化，采樣頻率一般選用1kHz.采集數據時，選用模擬輸入端AI0，以差分方式進行采集.受力傳感器及外部設備精度限制，采集得到的數據存在噪聲信號，為了消除噪聲對信號的影響，在采樣之后，通過數據處理模塊選用低通濾波器對采樣數據進行濾波降噪.同時為了得到力的數值，將波形圖轉化為數組數據，求出其最大值、最小值以及平均值.

圖5 數據采集流程圖Fig.5 The flowchart of data acquisition

4 測試結果與分析

圖6 IPMC在3V，0.5Hz電壓下的輸出力測試結果Fig.6 The result of blocking force of IPMC under AC 3V，0.5Hz

本文針對基膜厚度為178μm的商業基膜和厚度為420μm的自澆鑄基膜的IPMC分別進行輸出力測試，以驗證基于PXI虛擬儀器平臺的力測試系統的可行性.用于測試的商業基膜和自澆鑄基膜IPMC的尺寸相同，均為7mm×35mm，分別采用加交流電壓和直流電壓的方式對IPMC進行驅動.圖6為測試系統在0.5Hz，3V的正弦交流電壓下IPMC的力測試結果，圖7是商業基膜和自澆鑄基膜的IPMC在頻率為0.5Hz，幅值分別在2，3，4V的正弦交流電壓下的輸出力測試結果，從測試結果可以得出，在0.5Hz，2～4 V的正弦交流電壓驅動下，IPMC的力輸出也呈顯現出相同周期的正弦變化規律，同時隨著交流電壓的幅值增加，IPMC的最大輸出力也非線性地增大，原因是隨著電場強度的增加，IPMC內部的水合陽離子的移動速率增加，從而引起IPMC的輸出力增大.在直流電壓的驅動下，對比商業基膜和自澆鑄基膜的IPMC的輸出力測試結果（見圖7），在相同外加電場作用下，厚度為420μm的自澆鑄基膜IPMC的輸出力要優于厚度為178μm的商業基膜IPMC的輸出力，原因是厚度越大的基膜其內部的水合陽離子含量也越多，從而在相同電場的作用下，會產生更大的輸出力；在施加直流驅動電壓的過程中，隨著電壓的增大，兩種IPMC的輸出力也是逐漸增大的.圖8是商業基膜和自澆鑄基膜IPMC在0～5V的直流電壓驅動下的力測試對比.從測試結果看，交流驅動電壓和直流驅動電壓的輸出力有著明顯的差別，主要原因是，IPMC內部致動的水合陽離子在電場的作用下需要一定的運動時間，直流電壓驅動的情況下，IPMC有足夠的時間，使其內部的水合陽離子向陰極聚集，從而產生較大的輸出力，而在交流電壓驅動下，IPMC沒有充足的時間使其內部的水合陽離子完全聚集到陰極，而是在不斷的進行往復運動，從而輸出力較小（見圖8）.

圖7 不同基膜的IPMC在不同電壓下的輸出力Fig.7 The blocking force of IPMC with different films under different AC voltage

圖8 直流驅動下IPMC的輸出力對比Fig.8 The force of IPMC under different DC voltage

5 結 論

本文基于PXI虛擬儀器平臺開發了IPMC力學特性測試系統，采用LABVIEW編程環境編寫了測試軟件，通過測試軟件對數據進行處理分析可實時得到IPMC的輸出力測試結果.在正弦交流電壓驅動下，相同尺寸的IPMC，其輸出力隨時間也呈正弦規律變化，而且在正常的工作電壓下，隨著電壓幅值的增加，IPMC的最大輸出力也逐漸增大；在0～5V直流電壓驅動下，隨著電壓的增加，IPMC的輸出力也逐漸增大，而且，厚度較大的自澆鑄基膜IPMC的輸出力要大于厚度較小的商業基膜IPMC.

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