基于PXI虚拟仪器的IPMC输出力测试

徐 兵，赵 扬，郑高峰，庄明凤，黄伟伟，王 伟

（厦门大学物理与机电工程学院，福建 厦门361005）

离子聚合物金属复合物（ionic polymer metal composites，IPMC）是一种离子型的电致动聚合物，由离子交换膜和上下两层金属电极层构成，是类似“三明治”的结构，具有柔性好、质量轻、生物兼容性好以及在低电压驱动下产生大变形等特点，在软驱动、仿生驱动等领域有广泛的应用前景［1－3］.目前IPMC的应用主要有仿生机器鱼［4－6］、微泵［7－8］、微操作器［9］、微扑翼装置［10－11］等.IPMC输出力一般在毫牛级别，本文根据IPMC的输出力特点设计了力学测试系统，利用NI公司面向仪器系统的PCI扩展（PCI extensions for instrumentation，PXI）虚拟仪器平台，通过LABVIEW采集测量信号并进行处理分析，可实时直观地得到IPMC的输出力变化规律.

1 IPMC的制备方法

IPMC材料主要由离子交换膜基体及其两侧金属电极构成.在IPMC材料厚度方向上施加电场，材料会向阳极方向产生弯曲变形.目前，IPMC的制备主要采用化学镀的方法，相比于电镀、蒸镀、溅射等方法，化学镀可以形成更加致密的金属镀层，而且与离子交换膜基体材料的黏附性好.IPMC的基膜可采用美国杜邦公司的Nafion－117商用薄膜以及采用美国杜邦公司的Nafion溶液利用蒸发的方法自行浇铸成膜.不同基膜IPMC的制备均可采用如下方法：

1）基膜剪裁与粗化：裁剪适当大小的离子基膜，为了有利于金属电极更好的沉积，用砂纸打磨粗化；

2）基膜清洗：先通过超声清洗30min，再用体积分数为0.5%的稀硫酸加热至80℃清洗1h，用去离子水煮沸30min，用体积分数为15%的双氧水煮沸清洗30min，用去离子水煮沸清洗30min；

3）离子交换过程：将清洗好的基膜浸泡在体积分数为0.5%的稀硫酸中，使其成为H＋型阳离子交换膜，然后将基膜放入［Pt（NH3）4］Cl2溶液中浸泡14h左右，使得铂离子渗入到薄膜内部与H＋实现离子交换；

4）化学还原反应：取出离子交换膜放入去离子水中，加热至40℃，每30min升高10℃并加入质量分数0.5%硼氢化钠，温度升至60℃后，加入足量的硼氢化钠保证铂离子还原完全.

将还原得到的IPMC放入［Pt（NH3）4］Cl2溶液中，加热至40℃，每30min升高10℃并加入体积比为2∶1的质量分数为0.5%氯化羟胺和体积分数为20%水合肼，温度升至60℃后，再加入足量的氯化羟胺和水合肼，实现二次还原反应并形成致密的电极层；

5）将得到的IPMC样品保存在LiCl溶液中，经上述方法制得的IPMC样品如图1所示，在电压下驱动的变形效果图如图2所示.

图1 IPMC样品Fig.1 IPMC sample

图2 IPMC驱动变形Fig.2 Deformation of IPMC under DC voltage

2 测试系统设计

IPMC作为柔性驱动装置，其输出力一般在毫牛级别，在测试系统中需选用微力传感器进行测量.IPMC力学特性测试系统主要由PXI虚拟仪器平台、NI数据采集卡（PXIe－6361）、微力传感器（XH11－50g）及变送器、双路直流稳压电源、Agilent 33522A双通道任意波形发生器、功率放大电路构成，如图3所示.测试系统中选用的数据采集卡是NI公司的PXIe－6361数据采集卡，该数据采集卡具有模拟输入和输出的功能，最大模拟输入电压在±10V，最大采样频率为2 MS／s，最大电压范围下的采样精度为1.74mV，可提供所需的采样频率和采样精度.该测试系统中可提供0～30V的直流电压，可提供正弦波的频率范围为1 μHz～30MHz，分辨率为1μHz，系统的测力量程0～500mN，输出灵敏度（0.3±0.2）mV／V.由于IPMC输出力一般在毫牛级别，因此该系统的测力量程完全可以满足IPMC的输出力测试要求，同时在测量之前，需采用标准砝码对测力传感器进行标定.

测试系统的工作原理为波形发生器发出驱动信号，通过功率放大电路进行放大后，驱动IPMC发生形变；力传感器感知力信号后，通过变送器将其转化为电压信号，由数据采集卡采集，传输到由LABVIEW编写的测试软件中进行信号处理，并将信号显示，从而得到IPMC的输出力的测量结果.

图3 IPMC输出力特性测试系统Fig.3 The IPMC blocking force test system

3 测试软件实现

在测试系统中，通过LABVIEW软件来实现力信号的采集和处理.测试软件界面如图4所示，测试软件主要由4大功能模块组成，从左至右依次为采样参数设置模块、采样数据处理模块、波形数据显示模块、测试结果模块等.

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

数据采集模块使用NI－DAQ助手进行编程，对IPMC在一段时间内的输出力进行采集.图5为数据采集的流程图.具体的采集流程是首先选定数据采集的物理通道、采样频率、采样模式和采样时间等参数，然后数据采集卡根据设定对力传感器进行信号采集，通过波形图控件直接观察采样时间内力信号的变化是否正确，从而确定是否重新进行采集.由于IPMC的输出力很小，为了更精确地观察IPMC输出力的变化，采样频率一般选用1kHz.采集数据时，选用模拟输入端AI0，以差分方式进行采集.受力传感器及外部设备精度限制，采集得到的数据存在噪声信号，为了消除噪声对信号的影响，在采样之后，通过数据处理模块选用低通滤波器对采样数据进行滤波降噪.同时为了得到力的数值，将波形图转化为数组数据，求出其最大值、最小值以及平均值.

图5 数据采集流程图Fig.5 The flowchart of data acquisition

4 测试结果与分析

图6 IPMC在3V，0.5Hz电压下的输出力测试结果Fig.6 The result of blocking force of IPMC under AC 3V，0.5Hz

本文针对基膜厚度为178μm的商业基膜和厚度为420μm的自浇铸基膜的IPMC分别进行输出力测试，以验证基于PXI虚拟仪器平台的力测试系统的可行性.用于测试的商业基膜和自浇铸基膜IPMC的尺寸相同，均为7mm×35mm，分别采用加交流电压和直流电压的方式对IPMC进行驱动.图6为测试系统在0.5Hz，3V的正弦交流电压下IPMC的力测试结果，图7是商业基膜和自浇铸基膜的IPMC在频率为0.5Hz，幅值分别在2，3，4V的正弦交流电压下的输出力测试结果，从测试结果可以得出，在0.5Hz，2～4 V的正弦交流电压驱动下，IPMC的力输出也呈显现出相同周期的正弦变化规律，同时随着交流电压的幅值增加，IPMC的最大输出力也非线性地增大，原因是随着电场强度的增加，IPMC内部的水合阳离子的移动速率增加，从而引起IPMC的输出力增大.在直流电压的驱动下，对比商业基膜和自浇铸基膜的IPMC的输出力测试结果（见图7），在相同外加电场作用下，厚度为420μm的自浇铸基膜IPMC的输出力要优于厚度为178μm的商业基膜IPMC的输出力，原因是厚度越大的基膜其内部的水合阳离子含量也越多，从而在相同电场的作用下，会产生更大的输出力；在施加直流驱动电压的过程中，随着电压的增大，两种IPMC的输出力也是逐渐增大的.图8是商业基膜和自浇铸基膜IPMC在0～5V的直流电压驱动下的力测试对比.从测试结果看，交流驱动电压和直流驱动电压的输出力有着明显的差别，主要原因是，IPMC内部致动的水合阳离子在电场的作用下需要一定的运动时间，直流电压驱动的情况下，IPMC有足够的时间，使其内部的水合阳离子向阴极聚集，从而产生较大的输出力，而在交流电压驱动下，IPMC没有充足的时间使其内部的水合阳离子完全聚集到阴极，而是在不断的进行往复运动，从而输出力较小（见图8）.

图7 不同基膜的IPMC在不同电压下的输出力Fig.7 The blocking force of IPMC with different films under different AC voltage

图8 直流驱动下IPMC的输出力对比Fig.8 The force of IPMC under different DC voltage

5 结 论

本文基于PXI虚拟仪器平台开发了IPMC力学特性测试系统，采用LABVIEW编程环境编写了测试软件，通过测试软件对数据进行处理分析可实时得到IPMC的输出力测试结果.在正弦交流电压驱动下，相同尺寸的IPMC，其输出力随时间也呈正弦规律变化，而且在正常的工作电压下，随着电压幅值的增加，IPMC的最大输出力也逐渐增大；在0～5V直流电压驱动下，随着电压的增加，IPMC的输出力也逐渐增大，而且，厚度较大的自浇铸基膜IPMC的输出力要大于厚度较小的商业基膜IPMC.

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