基于LMS Test.Lab的導(dǎo)電橡膠動態(tài)特性研究*

段建瑞， 李 斌， 李帥臻， 李 覃

(昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

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基于LMS Test.Lab的導(dǎo)電橡膠動態(tài)特性研究*

段建瑞， 李 斌， 李帥臻， 李 覃

(昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

搭建了基于LMS Test.Lab的分析試驗系統(tǒng)，進(jìn)行力錘系統(tǒng)與激振系統(tǒng)的配置，對導(dǎo)電橡膠進(jìn)行了試驗，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其結(jié)果對于進(jìn)一步改進(jìn)導(dǎo)電橡膠壓力傳感器提供了理論依據(jù)。研究表明:導(dǎo)電橡膠作為柔性壓力傳感器基材具有較好的階躍響應(yīng)特性與頻率響應(yīng)特性，其固有頻率隨著導(dǎo)電橡膠厚度的增大而增大。

導(dǎo)電橡膠； LMS系統(tǒng)； 動態(tài)特性； 錘擊法； 激振系統(tǒng)

0 引 言

由于壓敏導(dǎo)電橡膠具有良好的導(dǎo)電率和柔韌性，以及制作工藝簡單，低成本等特點，使壓敏導(dǎo)電橡膠可以作為一種較為理想的柔性傳感器敏感材料廣泛應(yīng)用[1,2]。日本的Shimojo M等人[3]基于壓敏橡膠的特性設(shè)計了一種具有整體結(jié)構(gòu)的柔性觸覺傳感器，徐菲等人[4]基于壓敏導(dǎo)電橡膠設(shè)計了一種新型三維力柔性陣列觸覺傳感器，兼有柔韌性和可檢測三維力的特征，實現(xiàn)了真正的類皮膚。導(dǎo)電橡膠具有良好的柔韌性、耐磨性，在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)電阻值隨著應(yīng)力的變化而變化，具有很好的壓阻特性。導(dǎo)電橡膠力敏性傳感器,就是利用導(dǎo)電材料的壓阻特性設(shè)計的一種新型傳感器[5,6]。

現(xiàn)有的橡膠動態(tài)特性主要是橡膠作為減振材料[7～9]和襯套材料[10]作用下的研究。各式各樣基于導(dǎo)電橡膠的柔性壓力傳感器已經(jīng)被廣泛研究，但大多集中在靜態(tài)性能的分析，壓力傳感器的測量對象不僅僅限定于靜態(tài)參量，實際應(yīng)用中,一般情況下均為動載荷。目前,對導(dǎo)電橡膠的動態(tài)特性研究較少，大連理工大學(xué)內(nèi)燃機研究所康從會等人[7]，根據(jù)橡膠作為隔振材料用的動態(tài)特性測試要求，設(shè)計了一種基于LabVIEW的動態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了對試驗數(shù)據(jù)的實時處理和輸出結(jié)果的可視化。雖然LabVIEW是圖形化的編程語言，可以快速地編寫測試測量程序用于驗證項目的可行性，但終歸投入較大設(shè)計精力，在實際工程應(yīng)用時還有諸多不便和困難。合肥工業(yè)大學(xué)田合雷等人[11]針對導(dǎo)電橡膠的動態(tài)特性做出了一定探討，關(guān)于其頻率響應(yīng)特性研究采用時域響應(yīng)說明納米SiO2對導(dǎo)電橡膠的動態(tài)特性影響已足夠，但對于導(dǎo)電橡膠本身動態(tài)特性，應(yīng)在適頻范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻研究。

為了有效地設(shè)計、開發(fā)以導(dǎo)電橡膠為核心的柔性壓力傳感器，需要從理論上對導(dǎo)電橡膠的動態(tài)特性做出研究。關(guān)于導(dǎo)電橡膠的動態(tài)特性評價尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對導(dǎo)電橡膠的動態(tài)性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析，能夠為柔性壓力傳感器技術(shù)的研究發(fā)展提供良好的理論基礎(chǔ)，而且在了解了不同配方、不同尺寸合成的導(dǎo)電橡膠的動態(tài)性能以后，能夠提出更多有效的方法來改進(jìn)其動態(tài)性能，根據(jù)不同的測量需求選擇不同的導(dǎo)電橡膠壓力傳感器。顯然，對導(dǎo)電橡膠動態(tài)特性的研究十分必要[12]。本文搭建了基于LMS Test.Lab的分析試驗系統(tǒng)平臺，進(jìn)行硬件、軟件及力錘系統(tǒng)與激振系統(tǒng)的配置，對導(dǎo)電橡膠的動態(tài)特性進(jìn)行測試研究。

1 導(dǎo)電橡膠動態(tài)特性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測試儀器

動態(tài)性能指標(biāo)是評價衡量傳感器動態(tài)特性的重要指標(biāo)，主要有時域單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)和頻域頻率特性性能指標(biāo)。傳感器的動態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外，還與傳感器輸入信號的變化形式有關(guān)，傳感器在實際工作中，隨時間變化的輸入信號是變化的，且由于隨機因素的影響，往往測量前并不知道其特性，所以，工程上通常采用標(biāo)準(zhǔn)信號函數(shù)的方法來評定動態(tài)特性指標(biāo)，最典型、最簡單、最易實現(xiàn)的是以階躍信號和正弦信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號來考察傳感器的動態(tài)特性。

本文測試系統(tǒng)主要采用的設(shè)備由工作臺、力錘、激振器、加速度傳感器、LMS SCADASⅢ可擴展采集前端、功率放大器、吸振材料、LMS Test.Lab分析軟件組成，測試系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。階躍響應(yīng)特性測試采用如圖連接結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)特性測試時將力錘換為激振器與功率放大器連接。

圖1 動態(tài)特性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文借助LMS Test.Lab測試系統(tǒng)的強大功能，實現(xiàn)導(dǎo)電橡膠階躍響應(yīng)特性與頻率響應(yīng)特性的測試與分析。該系統(tǒng)是比利時LMS公司開發(fā)的集數(shù)據(jù)采集、試驗數(shù)據(jù)處理以及試驗報告生成和數(shù)據(jù)共享于一體的集成解決方案，可以對所有輸入的時間歷程進(jìn)行方便地瀏覽，并方便地選擇特定的數(shù)據(jù)段。為了獲得最優(yōu)的動態(tài)性能，在階躍響應(yīng)特性測試過程中，自由—自由邊界條件采用蓬松的棉花來實現(xiàn)，使其在Z方向處在一個相對自由度大的工況下。本次試驗的導(dǎo)電橡膠尺寸較小，而慣性加速度傳感器是目前運用最廣的一類傳感器，選擇的加速度傳感器也盡可能的小且靈敏度高。具體測試儀器及設(shè)備如表1所示。

表1 測試儀器及設(shè)備

2 試樣準(zhǔn)備

橡膠為雙組分室溫硫化硅橡膠GMX-331D(粘度25 000～35 000 MPa·s):藍(lán)星新材料有限公司；乙炔炭黑(粒徑10～30 nm):北京博宇高科新材料技術(shù)有限公司；稀釋劑為石油醚(沸程第Ⅲ類90～120 ℃):天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；改性填料是納米SiO2(粒徑40 nm):北京博宇科技新材料科技有限公司。硅烷偶聯(lián)劑Si69、催化劑二月桂酸二丁基錫、硫化劑正硅酸乙酯，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

實驗原料的配比(質(zhì)量比例)為:硅橡膠100份，石油醚70份，乙炔導(dǎo)電炭黑6份，改性填料納米SiO22份，硅烷偶聯(lián)劑Si69 3份，二月桂酸二丁基錫3份，硫化劑正硅酸乙酯7份。首先,將一定量的硅橡膠與適量稀釋劑石油醚混合，然后依次加入乙炔導(dǎo)電炭黑,SiO2,Si69,二月桂酸二丁基錫，攪拌5 min使之充分混合。最后加硫化劑正硅酸乙酯，在繼續(xù)攪拌同時用真空泵抽空，將混合液倒入固定模具，室溫硫化22 h，試樣在脫模后放置至不再發(fā)生變形收縮情況下再進(jìn)行試驗，根據(jù)操作經(jīng)驗可知此時間以3天為宜。其中S2,S3填充乙炔炭黑經(jīng)過200 ℃下氧氣表面氧化改性預(yù)處理。

表2 試樣的主要參數(shù)

3 測試方法

3.1 階躍響應(yīng)特性測試

導(dǎo)電橡膠的階躍響應(yīng)特性測試采用錘擊響應(yīng)分析法[13]，傳感器的響應(yīng)稱為階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)。階躍輸入對傳感器來說是較為嚴(yán)峻的工作狀態(tài)，如果導(dǎo)電橡膠傳感器在階躍函數(shù)作用下動態(tài)特性都能滿足測量要求，則在其他信號輸入形式下，其動態(tài)特性也能有良好的表現(xiàn)。

試驗所用力錘的末端連接到LMS Scadas III可擴展采集前端接口。在導(dǎo)電橡膠試樣平面幾何中心粘貼加速度傳感器，使用力錘激勵進(jìn)行測試，獲取響應(yīng)點的振動加速度。在LMS Test.Lab Impact testing中，帶寬設(shè)置為50 Hz，譜線設(shè)置為4 096。試驗過程中，使用力錘對導(dǎo)電橡膠進(jìn)行敲擊，測量次數(shù)設(shè)置為3次，取其平均值。

力錘激勵信號本應(yīng)該是一個瞬時階躍信號，但橡膠是一種粘彈性材料，具有獨特的應(yīng)力—應(yīng)變性質(zhì)，橡膠受力變形時貯存大量的能量，在回縮時將釋放出貯存的能量，其對動態(tài)應(yīng)力的響應(yīng)是彈性響應(yīng)和粘性響應(yīng)的綜合，可以用一個簡單彈簧和黏壺兩個元件并聯(lián)來等效反映橡膠的這種行為，即Kelvin模型[14]，如圖2所示。

圖2 橡膠膠動態(tài)模型

其本構(gòu)關(guān)系為

σ(t)=q0ε(t)+q1ε(t)

(1)

式中σ(t)，ε(t)為導(dǎo)電橡膠的應(yīng)力和應(yīng)變；q0=E，q1=η為彈性模量和黏度。

試樣S1，S2的響應(yīng)時間tr、峰值時間tp、穩(wěn)定時間ts的測試結(jié)果如圖3所示。其中，圖3(a)，(b)為試樣S1，S2力錘激勵輸入信號。由圖可以看出:導(dǎo)電橡膠試樣S1在力錘激勵信號40 ms時往負(fù)方向延伸；導(dǎo)電橡膠試樣S2在20 ms時往負(fù)方向延伸，這是由于上述材料本身的粘彈性造成的，且2個試樣的衰減時間較長。

圖3(c)，(d)為試樣S1，S2分別為的力錘激勵下的輸出信號。其中，導(dǎo)電橡膠試樣S1的響應(yīng)時間tr<1 ms，峰值時間tp=22 ms，穩(wěn)定時間ts≈800 ms；電橡膠試樣S2的響應(yīng)時間tr<1 ms，峰值時間tp=16 ms，穩(wěn)定時間ts≈600 ms。

結(jié)果表明:試驗平臺可以對導(dǎo)電橡膠的階躍響應(yīng)特性進(jìn)行測試；2個導(dǎo)電橡膠試樣的響應(yīng)時間tr<1 ms，作為壓敏傳感器的基材具有響應(yīng)時間短的優(yōu)點；試樣S2的峰值時間比S1快6 ms、穩(wěn)定時間快200 ms，更加適合作為柔性力敏傳感器的敏感材料。試樣S2的峰值時間、穩(wěn)定時間明顯優(yōu)于S1，這是由于表面預(yù)處理后的乙炔炭黑在橡膠中分散性更加均勻，使導(dǎo)電橡膠復(fù)合材料的本身材料物理性能、靜態(tài)性能更加穩(wěn)定。

3.2 頻率響應(yīng)特性測試

導(dǎo)電橡膠的頻率響應(yīng)特性采用激振器輸入的正弦信號來測試[11]，傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。依次將計算機、采集前端、激振器、功率放大器和加速度傳感器連接好。在LMS Test.Lab Spectral testing中，通過通道設(shè)定，測量帶寬設(shè)置為100 Hz，譜線設(shè)置為256，分辨率為0.390 6 Hz，采樣率為200 Hz。掃頻頻率范圍0～50 Hz，得到導(dǎo)電橡膠的頻率響應(yīng)特性測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 階躍響應(yīng)

圖4 頻率響應(yīng)

加載周期性外力時，各樣品的響應(yīng)周期與所施加的外力周期相同，表明導(dǎo)電橡膠作為柔性傳感器基材的頻率響應(yīng)特性好。材料的固有頻率判別為頻率響應(yīng)曲線的第一個最大波峰峰值，由圖4可知:試樣S1的固有頻率為19 Hz；試樣S2的固有頻率為20 Hz；試樣S3的固有頻率為34 Hz；此結(jié)果與階躍響應(yīng)下的振動頻譜圖峰值頻率基本一致。由試實驗結(jié)果可知，乙炔炭黑的改性對導(dǎo)電橡膠的固定頻率無明顯影響，導(dǎo)電橡膠固有頻率隨其厚度的增加而增加。

綜上所述，樣品試樣S1，S2，S3的動態(tài)性能指標(biāo)比較如表3所示。

表3 試樣的動態(tài)特性參數(shù)比較

4 結(jié) 論

基于LMS采集系統(tǒng)及其相關(guān)處理分析軟件，搭建了實驗平臺，對導(dǎo)電橡膠的動態(tài)特性進(jìn)行了研究，通過不同填料及相同填料不同厚度的導(dǎo)電橡膠試樣進(jìn)行了動態(tài)特性分析，為以導(dǎo)電橡膠為核心的柔性壓力傳感器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)，對相似的柔性材料動態(tài)特性測量具有一定的參考價值，通過對試驗結(jié)果的初步分析可以得出如下結(jié)論:

1)該試驗平臺可以對導(dǎo)電橡膠的階躍響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性進(jìn)行測試。階躍響應(yīng)測試可知導(dǎo)電橡膠試樣的響應(yīng)時間小于1 ms，作為力敏傳感器的基材具有響應(yīng)時間段的優(yōu)點，各試樣峰值時間都在20 ms左右，穩(wěn)定時間都在1s內(nèi)，說明導(dǎo)電橡膠傳感器具有良好的階躍特性。

2)預(yù)處理后的乙炔炭黑填充的導(dǎo)電橡膠輸出信號峰值時間、穩(wěn)定時間更適合做導(dǎo)電橡膠壓力傳感器基材。

3)得出了不同配方不同厚度導(dǎo)電橡膠試樣的固有頻率，乙炔炭黑的改性對導(dǎo)電橡膠的固定頻率無明顯影響，導(dǎo)電橡膠固有頻率隨其厚度的增加而增加。

對于諸如導(dǎo)電橡膠柔結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)，用錘擊激勵和激振激勵會加劇其內(nèi)部的非線性的動力學(xué)特性，如形成非線性阻尼，產(chǎn)生非線性響應(yīng)，使得難以辨識真正的脈沖響應(yīng)函數(shù)。今后還需要更進(jìn)一步對其動態(tài)性能測試進(jìn)行研究。

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Research on dynamic characteristics of conductive rubber based on LMS Test.Lab*

DUAN Jian-rui, LI Bin, LI Shuai-zhen, LI Qin

(Faculty of Chemical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

An analysis and test system based on LMS Test.Lab is built,hammer system and vibration exciter system configuration is carried out, conductive rubber tests are conducted,and the test data are analyzed.The results provide theoretical basis for further improvement of the conductive rubber pressure sensor.The research shows that the conductive rubber has better step response and frequency response characteristics as basic material of flexible pressure sensor,and its natural frequency increases with the increase of the thickness of conductive rubber.

conductive rubber; LMS system; dynamic characteristics; hammering method; vibration exciter

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0035—04

2016—09—07

國家自然科學(xué)基金資助項目(51167008)

TP 212.6

A

1000—9787(2017)08—0035—04

段建瑞(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為過程測量與控制、傳感器。

李 斌，通訊作者，E-mail:kmlb@vip.sina.com。