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离子交换聚合金属材料在匀速流中的传感实验研究

牟梦文 吕东坡 田文杰

牟梦文,吕东坡,田文杰. 离子交换聚合金属材料在匀速流中的传感实验研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(3):475-483 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200603
引用本文: 牟梦文,吕东坡,田文杰. 离子交换聚合金属材料在匀速流中的传感实验研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(3):475-483 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200603
MOU Mengwen, LYU Dongpo, TIAN Wenjie. Experimental Study on Sensing of Ion-exchange Polymer Metal Composite in Uniform Flow[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(3): 475-483. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200603
Citation: MOU Mengwen, LYU Dongpo, TIAN Wenjie. Experimental Study on Sensing of Ion-exchange Polymer Metal Composite in Uniform Flow[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(3): 475-483. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200603

离子交换聚合金属材料在匀速流中的传感实验研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200603
基金项目: 国家重点研发计划(2022YFC3006003)与机器人技术与系统国家重点实验室开放课题(SKLRS-2019-KF-12)
详细信息
    作者简介:

    牟梦文(1996−),硕士研究生,研究方向为流速传感,mengwenmou@tju.edu.cn

    通讯作者:

    田文杰,副教授,硕士生导师,wenjietian@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TB333

Experimental Study on Sensing of Ion-exchange Polymer Metal Composite in Uniform Flow

  • 摘要: 离子聚合物金属复合材料IPMC(Ion-exchange polymer metal composite,IPMC)具有驱动和传感功能。本文利用IPMC的传感能力,设计了一种海流速度信息传感器,基于3种模型分别使用ANSYS和MATLAB软件对不同条件的情况进行仿真,并设计测试系统进行实验,分析验证了片状IPMC在均匀流速下的传感能力。研究结果表明:片状IPMC的初始稳定电压以及测量灵敏度均与材料面积正相关;随着流速的增大,IPMC达到稳定输出电压的时间缩短,且材料输出电压在达到稳定前与时间呈现二次多项式函数关系,函数最大值即为实验所测得的稳定输出电压;各组次实验的重复性良好。
  • 图  1  IPMC横截面的结构示意图

    图  2  IPMC的传感原理

    图  3  不同介质影响下的流速-电压关系

    图  4  材料长宽比影响下的流速-电压关系

    图  5  材料长宽比影响下的流速-电压关系

    图  6  IPMC材料流速传感实验装置

    图  7  数据采集子系统

    图  8  数据采集系统原理图

    图  9  软件实现流程

    图  10  1号IPMC输出电压

    图  11  2号IPMC输出电压

    表  1  在25 ℃条件下各介质的密度和黏度

    介质密度/( kg·m−3黏度 /(Pa·s)
    海水 1070 0.8949 × 10−3
    酒精 785.06 1.2 × 10−3
    850 0.05
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    表  2  IPMC的样品数据

    样品号厚度h/mma/mmb/mm流向夹角α/( °)
    10.230590
    20.2301090
    30.2301060
    40.2301030
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    表  3  基于不同环境介质的各模型输出电压

    介质流速/
    (m·s−1)
    输出电压/mV
    12 3
    海水0.012.842.272.45
    0.104.954.884.74
    1.0013.6513.3113.77
    10.0030.8730.4530.65
    酒精0.011.311.051.13
    0.101.841.821.77
    1.0013.3313.0113.46
    10.0025.6625.3125.48
    0.011.511.211.31
    0.102.282.242.18
    1.0016.3615.9516.50
    10.0027.7827.4127.59
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    表  4  基于不同尺寸、流向夹角的IPMC的各模型输出电压

    流体速度/
    (m·s−1 )
    样品号输出电压/mV
    1 2 3
    0.0112.842.272.45
    21.251.491.42
    30.921.141.08
    40.630.810.66
    0.1014.954.884.74
    211.7211.6911.57
    34.544.514.47
    43.063.043.01
    1.00113.6513.3113.77
    223.9223.8924.84
    319.6019.5820.35
    413.7213.7014.24
    10.00130.8730.4530.65
    253.9853.3853.22
    339.4839.0438.92
    422.3422.0922.02
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    表  5  不同介质下的输出电压u和流速v的关系

    介质模型1模型2模型3
    海水u = −0.8553v2 +
    11.314v + 3.2483
    u = −0.8585v2 +
    11.3385v +
    2.9141
    u = −0.9050v2 +
    11.8228v +
    2.9171
    酒精u = −1.1067v2 +
    13.5479v + 0.8531
    u = −1.0902v2 +
    13.3614v +
    0.7166
    u = −1.3613v2 +
    14.0911v +
    0.6979
    u = −1.4048v2 +
    16.7259v + 1.0010
    u = −1.3813v2 +
    16.4708v +
    0.8375
    u = −1.4399v2 +
    17.0755v +
    0.8301
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    表  6  不同材料长宽比下的输出电压u和流速v的关系

    a/b模型1模型2模型3
    6u = −0.8553v2 +
    11.3148v + 3.2483
    u = −0.8585v2 +
    11.3385v +
    2.9141
    u = −0.9050v2
    11.8228v +
    2.9171
    3u = −1.5962v2 +
    20.8470v + 5.1221
    u = −1.5859v2 +
    20.6722v +
    5.2433
    u = −1.7080v2 +
    21.8934v +
    5.0858
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    表  7  不同流向夹角下的输出电压u和流速v的关系

    α
    模型1模型2模型3
    30°u = −1.1777v2 +
    13.9051v +
    1.0551
    u = −1.1679v2 +
    13.7734v +
    1.1472
    u = −1.2422v2 +
    14.5227v +
    1.0150
    60°u = −1.5893v2 +
    19.6804v +
    1.6070
    u = −1.5797v2 +
    19.528v +
    1.7165
    u = −1.6762 v2 +
    20.4928v +
    1.6156
    90°u = −1.5962v2 +
    20.8470v +
    5.1221
    u = −1.5859v2 +
    20.6722v +
    5.2432
    u = −1.7080v2 +
    21.8934v +
    5.0858
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    表  8  IPMC材料尺寸

    样品编号厚度h/mma/mm
    10.230
    20.230
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    表  9  1号IPMC测得数据

    电压u/ mV流速v /(m·s−1时间t /s
    16.100
    17.60.0166.7
    27.40.1022.5
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    表  10  2号IPMC测得数据

    电压u /mV流速v /(m·s−1)时间t/ s
    9.700
    12.40.0150.0
    14.20.125.0
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    表  11  IPMC样品输出电压的模拟计算值与实验值对照

    a×b
    流速/
    (m·s−3)
    电压
    变化值/mV
    模拟值/
    mV
    误差/ %
    30×100.011.55.3371.86
    5.4572.48
    5.3171.75
    0.1011.37.1957.16
    7.2955.01
    7.2655.65
    30×50.012.73.3619.64
    3.0310.89
    3.0411.18
    0.104.54.372.97
    4.0411.39
    4.0910.02
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  • 收稿日期:  2021-04-05
  • 刊出日期:  2023-03-25

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