[發明專利]電磁智能材料力電磁耦合行為的鼓泡實驗裝置及測試方法

有效

• 申請號: 201210156426.7
• 申請日: 2012-05-18
• 公開（公告）號: CN102645372A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 方岱寧;毛衛國;馮雪;李法新;裴永茂;于澤軍
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10;G01R31/00;G01R33/14
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 張肖琪

1.一種鼓泡實驗裝置，其特征在于，所述裝置包括：計算機（1）、驅動系統（2）、微型油壓泵（11）、油壓鼓泡裝置（3）、油管（16）、薄膜樣品（5）、光學測試系統、數據采集處理器（7）、油壓傳感器（10）、電場加載及電學量測試系統、磁場加載及標定系統、以及磁學量測試系統；其中，計算機（1）連接至驅動系統（2），驅動系統（2）連接至微型油壓泵（11），通過油管（16）連接至油壓鼓泡裝置（3），油壓鼓泡裝置（3）上放置薄膜樣品（5）；在薄膜樣品（5）上連接電場加載及電學量測試系統，薄膜樣品（5）周圍加裝磁場加載及標定系統，在薄膜樣品（5）的上方設置光學測試系統和磁學量測試系統，并連接至計算機（1）；油壓傳感器（10）內置在油壓鼓泡裝置（3）中，并通過數據采集處理器（7）連接至計算機（1）；進一步：

所述驅動系統（2）采用伺服電機以及控制器；

所述電場加載及電學量測試系統是索亞—托爾S-T電路（8）；

所述磁場加載系統包括螺線管（9）、以及與螺線管（9）串聯的勵磁電源（28）和電流表（27）；

所述磁學量測試系統包括放置在薄膜樣品（5）上的發射光路（12）和接收光路（15），以及與接收光路（15）依次相連接的前置放大器（32）和信號檢測主機（33）；

光學測試系統包括放置在薄膜樣品（5）上的CCD相機（13）、激光器和在激光器與薄膜樣品之間的投影散斑片（14）；以及與CCD相機相連接的高性能圖形處理工作站（34）。

2.如權利要求1所述的鼓泡實驗裝置，其特征在于，油壓加載速率范圍是10Pa/s~200Pa/s。

3.如權利要求1所述的鼓泡實驗裝置，其特征在于，油壓加載方式包括正弦波方式加載、三角波方式加載和矩形波方式加載等。

4.如權利要求1所述的鼓泡實驗裝置，其特征在于，所述測試電路（8）采用索亞—托爾電路施加直流電源或者交流電源。

5.如權利要求1所述的鼓泡實驗裝置，其特征在于，所述薄膜樣品（5）的薄膜窗口尺寸的半徑是在0.5mm~2mm范圍內。

6.一種權利要求1所述的鼓泡實驗裝置的測試方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

1）確定磁場加載及標定系統磁場大小及分布：根據實驗測試需要，對螺線管通以指定大小的恒定電流，采用特斯拉計和霍爾探頭，定點標定和測量沿螺線管的軸線方向的磁場大小及分布，尤其是在后面測試中薄膜樣品所處位置的磁場大小，同時通過電磁場理論獲得的螺線管的磁場分布解析解，理論上計算出特定尺寸和匝數的螺線管在特定的電流下磁場分布情況，以便對比驗證試驗上述實驗標定結果；

2）制備薄膜樣品及焊接微小電極：根據鼓泡儀薄膜樣品臺加載裝置的尺寸，設計和加工合適的基底的大小，在其表面邊緣處焊接一根細小的電極，以備給電磁智能薄膜樣品施加電場；然后再按照正常薄膜制備工藝，其表面制備待測的電磁智能薄膜樣品；然后在薄膜表面再焊接一根細小的電極材料，便于加載電場，最后采用特殊工藝僅在基底的下表面中心處形成一個指定大小的圓孔，以便讓油壓鼓泡裝置內液壓油進入，直接作用在被測的薄膜樣品下表面，使之發生不同程度的鼓泡變形；

3）裝載液壓油和薄膜樣品：啟動計算機和驅動系統，把微型油壓泵里面的液壓油驅使到油壓鼓泡裝置的油腔里面，并緩慢把液壓油調整到與油腔頂部噴油口平齊，然后把上述加工好的薄膜樣品以基底朝下的方式迅速蓋住油腔的噴油口，然后在薄膜樣品的薄膜表面上面再加載一個絕緣的硅片，其直徑尺寸與基底的尺寸一樣，以消除在薄膜樣品緊固過程中由于鋼制緊固蓋旋轉產生的剪切應力，避免損壞被測的薄膜樣品，最后蓋上鋼制緊固蓋，把薄膜樣品固定好；

4）連接電場加載和電學量測試系統：當薄膜樣品加載好之后，把薄膜樣品的上下表面的兩根電極連接到索亞—托爾電路中，通過調節索亞—托爾電路中電壓的大小，對被測的薄膜施加不同大小的電場，同時測試索亞—托爾電路中標準電容C₀兩端的電壓U₁，就可以得到試件兩端的電量，電量與試件表面電極的面積之比即是電位移；

5）啟動并調節光學測試系統：啟動光學測試系統中產生散斑的激光器，使得激光束經過一個散斑片，最后在被測的薄膜樣品的區域表面上投射散斑，再啟動兩臺CCD相機和高性能圖形處理工作站，調節好測試角度，在薄膜樣品放入到步驟1）中標定的被測位置之前，在這個位置處放置標定板，完成必要的標定和調節，然后等待被測的薄膜樣品放入到指定的位置；

6）連接磁場加載系統：通過三維移動裝置，把裝載好薄膜樣品的油壓鼓泡實驗裝置緩慢地移入到螺線管中，通過精細調節豎直方向的距離，把薄膜樣品調整到步驟1）中標定好的磁場位置，在實驗測試時，啟動螺線管的勵磁電源，控制電流大小，便可以實現對被測的薄膜樣品施加不同大小的磁場；

7）啟動并調節磁學量測試系統：啟動磁學量測試系統中光路發射部分內的激光器，使得激光束分別依次經過設定好的起偏棱鏡和光闌，再射到被測的薄膜樣品的表面；其發射光線由該系統的接收光路接收，依次通過光闌、檢偏棱鏡、透鏡、光電探測器、前置放大器和信號檢測主機，最后傳輸至計算機，在特定的試驗條件下，可以測試出薄膜樣品在不同的磁場或力磁耦合作用下，薄膜表面區域內磁感應強度的變化，利用縱向磁光克爾效應，測試出正負克爾角，進而得到在力電磁耦合加載條件下被測的薄膜樣品的磁滯回線；

8）設置油壓加載方式并啟動驅動系統：當把上述電場加載及電學量測試系統、磁場加載系統、磁學量測試系統和光學測試系統調整好之后，在計算機上設置指定的油壓加載方式，然后通過計算機控制驅動系統，進而控制微型油壓泵的工作進程，從而實現對油腔內油壓按照預先設定的方式加載；

9）記錄和保存實驗數據：在驅動系統工作過程中，油腔內的油壓緩慢增加，需要利用計算機記錄好油壓大小、電場和磁場實驗數據，同時還需要實時采集被測電磁智能薄膜樣品力學量、電學量和磁學量的實驗數據；

10）根據被測電磁智能材料的特性和測試目的，可以分別開展在力電、力磁、電磁和力電磁耦合環境下的實驗測試，重復上述步驟1）到步驟9），如果磁學量測試系統和光學測試系統因相互干擾而無法正常實現各自的測試功能，則需要制備一定數量的同類型樣品，在同等實驗條件下，分別完成磁學量測試和光學變形測試，最終獲得這類功能性薄膜樣品的力學、電學和磁學綜合性能。