基于IPMC的谐振力传感器的研究与开发

论文摘要

离子交换聚合体金属合成物（Ion-exchange Polymer-Metal Composites简称IPMC）是一种电致形变智能材料,其性能类似于生物肌肉,因此被称为人工肌肉。这种材料质轻、柔韧性好,可切割成任意大小和形状,较低的驱动电压可产生较大的位移变形,相反受到弯曲变形时会在其厚度方向产生电压,因此IPMC成为制作运动致动器和传感器的新兴材料。本文介绍了一种新颖的基于IPMC（离子聚合物金属复合材料）的谐振力传感器。此系统具有直流感知的能力,而且能在几毫牛的范围内工作。本文中的IPMC条采取的是一端固定的简支梁装置,在另一端即简支末端用一个轴向力将悬臂梁拉紧,轴向力会影响悬臂梁的共振频率。文章正是利用了IPMC的这一性质用系统共振频率的值来计算施加在轴向方向的力。本文采用欧拉伯努利悬臂梁理论对IPMC建模,来计算悬臂梁谐振频率与外加轴向力的关系。为了研究预测系统的性能搭建了一套力感知的实验装置,得到的实验结果验证了模型的正确性。通过实验分析总结规律,搭建了一套基于锁相环的传感器测量装置,该装置可以将IPMC锁定在谐振状态,锁相环的压控振荡器的输入电压控制信号可以用来计算振动频率,从而计算出外加轴向力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 传感器概述
• 1.1.1 传感器的定义
• 1.1.2 传感器的组成
• 1.1.3 传感器的发展趋势
• 1.2 微传感器介绍
• 1.2.1 微传感器优特点
• 1.2.2 谐振式微传感器
• 1.2.3 谐振式微悬臂梁传感器
• 1.3 谐振力传感器材料的选择
• 1.4 本文的组织结构
• 第2章 IPMC的工作机理
• 2.1 了解IPMC
• 2.1.1 IPMC简介
• 2.1.2 IPMC的制备工艺
• 2.1.3 IPMC的化学结构
• 2.2 作为传感器的IPMC
• 2.3 作为驱动器的IPMC
• 2.4 IPMC的谐振运动
• 第3章 谐振力传感器的建模与仿真
• 3.1 细长悬臂梁的振动理论模型
• 3.2 实验所用IPMC条参数的确定
• 3.3 IPMC谐振频率的理论计算及其振动模式的仿真
• 第4章 IPMC谐振性质的实验研究
• 4.1 IPMC力感知系统的搭建
• 4.1.1 实验平台总体框图
• 4.1.2 减震台说明
• 4.1.3 IPMC的驱动装置
• 4.1.4 驱动信号的功率放大装置
• 4.1.5 IPMC的变形测量装置
• 4.1.6 LabVIEW简介
• 4.2 IPMC谐振性质的影响因素
• 4.2.1 不同IPMC条的谐振性质
• 4.2.2 含水量对IPMC谐振性质的影响
• 4.3 谐振频率实测值与理论值的比较
• 4.4 实验总结
• 第5章 IPMC谐振力传感器的测量装置
• 5.1 轴向力的测量原理
• 5.2 调理电路的设计
• 5.2.1 锁相环工作原理及外围电路的确定
• 5.2.2 移相器的设计
• 5.2.3 触发器的设计
• 5.2.4 电平转换器的设计
• 第6章 谐振力传感器的标定
• 6.1 谐振力传感器的性能指标
• 6.2 谐振力传感器的性能分析
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历