专利名称：电致伸缩材料驱动力特性的电容法测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电致伸缩材料微应变、微驱动力测试装置，尤其涉及一种电致伸縮材 料特性的电容法测试装置。
背景技术：
线位移或应变测试应用中非光学方法按原理分有划线电阻法(10殳20mm)、应变电阻法 (10-4-102mm)、电容法(10-4-10mm)、感应同步法(1()-3-102腿)、差动电感法(10-4-10"mm)等， 其有不同测量速度、范围和精度，如划线电阻法为保证电阻的可靠接触仅适合于低速场合， 差动电感法具有较高测量精度但测量范围有限，应变电阻法需要被测对象有较大的驱动能 力。电致伸縮材料需要同时有微形变和一定的驱动力，而传统测试只能测试自由态电致伸 縮材料的电致伸縮系数，对于在受力负载情况下的电致伸縮系数及其驱动力的研究甚少， 所以有必要对电致伸縮材料的驱动力性能进一步展开研究。驱动力性能研究中很重要的一 环就是微力测量，微力测量通常采用MEMS器件来完成，也有采用光纤传感器、天平等方 法来完成。电容法和差动变压器法将微形变测量转化为电量测量，都需要与被测表面接触属接触 法测量。电容法具有响应速度快、灵敏度高、抗噪声能力强等优点，同时还具有较大的测 量范围和较高测量精度适合于电致伸縮材料微应变测量，为材料电致伸縮特性测试提供了 可靠的途径。电容式传感器是传感器中非常重要的一类，其将被测非电量的变化转换为电容量变化， 通过检测电容量的变化来获得被测量变化，具有结构简单、高分辨力、可非接触测量、成 本低、响应速度快、灵敏度高、抗噪声能力强等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶 劣条件下工作，广泛应用于压力、湿度、固体水分含量、触觉、信息融合成像、微位移、 物位、加速度等传感量的检测。微力测量时可将微力产生的微位移转化为微电容变化，从 而通过测量微电容来测量微力。实用新型内容本实用新型的目的是提出一种结构简单、测试过程便于操作的一种电致伸縮材料特性
的电容法测试装置，通过该装置能直接测量出被测电致伸縮材料的微应变特性、微驱动力 特性。本实用新型采用如下技术方案包括基座1和支撑架12，支撑架12设在基座1上，其特征在于在支撑架12上设有定励磁线圈9，在定磁线圈9的端面上设有电容定极板10，在基座1上设有可调高压源3， 可调高压源3的两端分别连接有负、正极板4、 5，该二极板5、 6间用于放置待测电致伸 縮材料，其中的一块极板与三维微位移台2相接触，在与其中的另一块极板连接的支撑件 7上设有动励磁线圈8，在动励磁线圈8的端面上设有电容动极板11，上述电容定极板IO 与电容动极板11相面对。本实用新型提出了电容法电致伸縮材料特性测试装置，该装置通过电容法检测电致伸 縮材料在高电场强度下的产生微小应变导致的微位移，通过电磁线圈加载电磁力或产生平 衡驱动力。微电容检测采用了开关型微弱电容检测电路，该电路成本低，同时还可消除较 被测电容大很多的对地寄生电容对测量结果的影响。电致伸縮材料驱动力特性的电容法测试装置总体包括可调高压电源、固定基座、三维 微位移台、高压正负极板、被测对象薄膜、励磁线圈组、微位移传感电容及其测试控制电 路。系统工作时，高压电源将强电场加载在待测薄膜上，薄膜产生应变，微位移传感电容 测量出对应的微位移；在进行材料受力负载情况下地电致伸縮系数研究时通过驱动线圈产 生力负载；研究材料驱动力时，用驱动线圈抵消强电场产生的微位移或产生等效微位移间 接测量材料的驱动力，将电致伸縮材料作为弹性体时微位移传感电容同时可以作为力传感 器使用。整个测试装置置于一个抗振平台上以消除振动对测试结果的影响。装置中包括了一个 三维微位移台以方便测试中的传感电容微调，同时该微位移台也适用于微电容及微位移的 校准和标定。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点1. 本实用新型机械结构简单易行；2. 采用的微位移开关型微弱电容检测电路，该电路成本低，同时还可消除较被测电容 大很多的对地寄生电容对测量结果的影响；3. 采用测试原理可以测量电致伸缩材料在一定压力下电场-电致伸縮应变曲线，等效 驱动力特性和平衡驱动力特性。
图1是本实用新型总体结构示意图，图1A是本实用新型的一种具体实施例，图1B是 本实用新型的另一种具体实施例，l一固定基座，2—三维微位移台，3—可调高压源，4一 负极板，5—正极板，6—电致伸縮薄膜，7—支撑件，8—动励磁线圈，9一定励磁线圈， IO—电容动极板，11—电容定极板，12—支撑杆。图2是本实用新型的测试结果图，当测量范围很大时位移和微电容法检测电压输出不 是线性关系，但对于很小的微位移(几十微米范围内)可以认为和微电容间存在线性关系。图3为微电容测量电磁力结果，利用电容法测量聚氨酯在电磁力作用下产生的弹性形 变，通过测量微电容变化可得到加载在聚氨酯弹性体上的磁力，系统中采用了直流线圈来 产生电磁力，图示横坐标为定线圈两端所加载的电压。图4为不同纳米钛酸钡含量的聚氨酯弹性体随电场强度发生的电致伸縮应变曲线。图5 —定纳米钛酸钡含量的聚氨酯弹性体在外加电场作用下电致伸縮应变与时间的变 化关系。
具体实施方式
一种电致伸縮材料驱动力特性的电容法测试装置，包括基座1和支撑杆12，支撑杆12设在基座1上，其特征在于在支撑杆12上设有定励磁线圈9，在定励磁线圈9的端面上 设有电容定极板IO，在基座1上设有可调高压源3，可调高压源3的两端分别连接有负、 正二极板4、 5，该负、正二极板4、 5间用于放置待测电致伸縮材料6，其中负极板与三维 微位移台2相接触，在与正极板相连的支撑件7上设有动励磁线圈8，在动励磁线圈8的 端面上设有电容动极板10，上述电容定极板11与电容动极板10相面对。上述高压电源输出范围0 10kV，上述电容定极板10与电容动极板11所形成的电容 的测试精度300mV/pF，电容测试范围0 10pF，电容法检测微位移/微应变，位移测试精度 1.9mV/线图1A及图1B分别反映了上述技术方案的两种形式。系统工作时，高压电源将强电场加载在待测薄膜上，薄膜产生应变，微位移传感电容 测量出对应的微位移；在进行材料受力负载情况下地电致伸縮系数研究时通过驱动线圈产 生力负载；研究材料驱动力时，用驱动线圈抵消强电场产生的微位移或产生等效微位移间 接测量材料的驱动力，将电致伸縮材料作为弹性体时微位移传感电容同时可以作为力传感 器使用。整个测试装置置于一个抗振平台上以消除振动对测试结果的影响。装置中包括了一个 三维微位移台以方便测试中的传感电容微调，同时该微位移台也适用于微电容及微位移的
校准和标定。利用本实用新型可以进行电致伸缩材料的电场-电致伸縮应变曲线、在不同压力下的电 场-电致伸縮应变曲线、在不同电场作用下的平衡驱动力及在不同电场作用下的等效驱动力 等性能的测试。1) 通过高压极板给被测电致伸缩薄膜加载系列高压，电压范围为0 10kV，薄膜发生 系列对应应变位移，微电容测试电路检测出该系列对应微位移从而获得该电致伸縮材料的 电场-电致伸縮应变曲线。2) 通过电磁线圈给薄膜加载压力，通过高压极板给被测电致伸縮薄膜加载系列高压， 电压范围为0 10kV，薄膜发生系列对应应变位移，微电容测试电路检测出该系列对应微 位移从而获得该电致伸縮材料在不同压力下的电场-电致伸縮应变曲线。3) 通过高压极板给被测电致伸縮薄膜加载系列高压，电压范围为0 10kV，通过电磁 线圈给薄膜加载平衡力而保持薄膜应变为零，从而获得该电致伸縮材料在不同电场作用下 的平衡驱动力。4) 通过高压极板给被测电致伸縮薄膜加载系列高压，电压范围为0 10kV，薄膜发生 系列对应应变位移，再通过电磁线圈给薄膜加载压力使薄膜产生等同位移，从而获得该该 电致伸縮材料在不同电场作用下的等效驱动力。使用该装置检测电致伸縮材料特性步骤如下(1) 将被测电致伸縮薄膜剪切成30mmx30mm大小夹持在正负高压极板中，通过调 三维微位移台调整电容传感器的初始位置，使电容测量输出值为零。(2) 调节高压极板上电压使被测电致伸縮薄膜发生对应应变，通过电容测量电路测得 电场-电致伸缩应变曲线。(3) 调节高压极板上电压使被测电致伸缩薄膜发生对应应变，通过驱动线圈对被测电 致伸縮薄膜加载压力(加载或等效应变)或拉力(抵消应变)，从而通过电容测量电路测得材料 的一定压力下电场-电致伸缩应变曲线，等效驱动力特性和平衡驱动力特性。
权利要求1. 一种电致伸缩材料驱动力特性的电容法测试装置，包括基座(1)和支撑架(12)，支撑架(12)设在基座(1)上，其特征在于在支撑架(12)上设有定励磁线圈(9)，在定磁线圈(9)的端面上设有电容定极板(10)，在基座(1)上设有可调高压源(3)，可调高压源(3)的两端分别连接有负、正极板(4、5)，该二极板(5、6)间用于放置待测电致伸缩材料，其中的一块极板与三维微位移台(2)相接触，在与其中的另一块极板连接的支撑件(7)上设有动励磁线圈(8)，在动励磁线圈(8)的端面上设有电容动极板(11)，上述电容定极板(10)与电容动极板(11)相面对。
2、 根据权利要求1所述的电致伸縮材料驱动力特性的电容法测试装置，其特征在于在 所述的基座(1)与所述的其中的一块极板之间设有三维微位移台(2)。
专利摘要电致伸缩材料驱动力特性的电容法测试装置，涉及电致伸缩材料微应变、微驱动力测试装置，尤其涉及一种电致伸缩材料特性的电容法测试装置。本实用新型包括基座和支撑架，支撑架设在基座上，其特征在于在支撑架上设有定励磁线圈，在定磁线圈的端面上设有电容定极板，在基座上设有可调高压源，可调高压源的两端分别连接有负、正极板，该二极板间用于放置待测电致伸缩材料，其中的一块极板与三维微位移台相接触，在与其中的另一块极板连接的支撑件上设有动励磁线圈，在动励磁线圈的端面上设有电容动极板，上述电容定极板与电容动极板相面对。本实用新型实现了结构简单、测试过程便于操作的目的。
文档编号G01D5/12GK201081720SQ20072004654
公开日2008年7月2日 申请日期2007年10月26日 优先权日2007年10月26日
发明者吴剑锋, 李建清, 林保平 申请人:东南大学