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电场活化聚合物特性的试验研究 摘要 电场活化聚合物( d i e l e c t r i ce l a s t o m e r ) 在直流电场作用下会产生极大的应 变和弹性能，这就使得这类材料可以用于作为微型机械中电致动器( a c t u a t o r s ) 的基础材料，甚至被视为将来在机器人、特别是微型机器人中制造人造肌肉的 理想材料。 本文通过定量试验研究电场活化聚合物的( 面积) 变化率与电压、材料的 预拉伸量、中心电极面积与窗口面积之比例、电极厚度之间的关系，首先测定 单个因素对变形率的影响，继而运用二次正交回归试验方法测定四个因素对变 形率的综合影响。同时，对它在电场中发生破坏的机理进行分析，提出用单位 厚度上的极限电压表征电场活化聚合物抗电击穿破坏的强度，并揭示了预拉伸 不仅能加快电场活化聚合物在电场力作用下的响应速度、提高变形率、降低工 作电压，而且能大幅度提高其抗电击穿破坏的强度。通过这些试验和分析工作， 进一步深入揭示了电场活化聚合物的特性，为下一步的元件设计奠定基础。 关键词：电场活化聚合物微型机械电致动器破坏机理预应变 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nc h a r a c t e r o f d i e l e c t r i ce l a s t o m e r a b s t r a c t d i e l e c t r i ce l a s t o m e rc a r ly i e l de x t r e m e l yl a r g es t r a i na n de l a s t i ce n e r g yd e n s i t y i nd ce l e c t r i cf i e l d ，w h i c hm a k e si tt ob eu s e da sb a s i cm a t e r i a lo fa c t u a t o r sf o r s u b m i n i a t u r em a c h i n e ，e v e na si d e a lm a t e r i a lo fa r t i f i c i a lm u s c l ef o rs u b m i n i a t u r e r o b o ti nf u t u r e b ym e a n so fe x p e r i m e n t ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e ( a r e a ) d e f o r m a t i o na n d s o m ef a c t o r s ，s u c ha sv o l t a g e ，t h el o r e e x p a n d i n g ，t h er a t i ob e t w e e nt h ea r e ac o v e r e d w i t hc o m p l i a n te l e c t r o d e sa n dw i t h o u ti ta r o u n d ，a n dt h et h i c k n e s so fe l e c t r o d e s ，a r e d i s c u s s e di n t h i st h e s i s ，a tf i r s ta b o u te v e r ys i n g l ef a c t o ra n dt h e n a b o u tt h e c o m p r e h e n s i v ee f f e c to f a l lo f t h e mw i t hh e l po f t h eq u a d r a t i co r t h o g o n a lr e g r e s s i o n m e t h o d m e a n w h i l e ，t h ed e s t r o y i n gp r i n c i p l eo fd i e l e c t r i ce l a s t o m e rw a sa n a l y s e di n t h i st h e s i s a n dt h eb r e a k d o w nv o l t a g eb yu n i tt h i c k n e s sw a sp r o p o s e da st h e c r i t e r i o no fa n t i b r e a k d o w ns t r e n g t hf o rd i e l e c t r i ce l a s t o m e r i tw a sr e v e a l e dt h a t p r e s t r a i nc a nn o to n l ya c c e l e r a t er e s p o n s es p e e d ，i n c r e a s ed e f o r m a t i o nr a t i o ，r e d u c e w o r k i n gv o l t a g e ，b u ta l s oe n h a n c et h ea n t i b r e a k d o w ns t r e n g t ht oag r e a te x t e n t i t r e v e a l e df u r t h e rt h ec h a r a c t e ro f d ea n de s t a b l i s h e df o u n d a t i o nf o rt h en e x td e s i g no f e l e m e n t st h r o u g ht h e s ee x p e r i m e n t sm a da n a l y s e s k e y w o r d s ：d i e l e c t r i ce l a s t o m e r a c t u a t o r si nm e m s p r i n c i p l eo fd e s t r o y i n g p r e s t r a i n 插图清单 图2 一l 麦克斯韦应力现象5 图3 一l 试验现场”8 图3 2 工作流程图9 图3 3 样品示意图1 0 图3 - 4 支座1 0 图3 - 5 试验板1 1 图4 1 样品1 3 图4 2 图片记录1 4 图4 3 数据转化过程1 5 图4 4 改进的边缘检测算法流程图1 6 图4 5 边缘提取结果17 图4 6 文本文件1 8 图4 7 求解过程中的图形1 8 图4 8 输出结果1 8 图4 9a u t o l i s p 处理程序流程图1 9 图5 一l 无预拉伸2 3 图5 2 不均匀预拉伸f1 0 0 x 3 0 0 ) 2 4 图5 3 变形网格图2 5 图5 - 4 均匀预拉伸2 5 图6 一l 程序调用结构图3 2 图6 2 程序流程框图3 3 图6 3 回归计算值与试验实际值对比图3 9 图7 1 薄膜破坏过程4 0 图7 2 不均匀预拉伸1 0 0 3 0 0 4 2 f ，矿7 1 2 图7 3 ( v d ) 2 一占曲线( 横坐标单位为m ) 4 4 表格清单 表2 一l 材料性能对比表6 表5 一l 电舔交澎率鏊线( ) 2 l 表5 2 电压一变形率曲线( 二) 2 2 表5 3 电压一变形率莛线( 三) 2 2 表5 - 4 电压一变形率曲线( 四) 2 3 表5 5 不嗣均匀j 耍控 孛下瓣越料变影率( 一) 2 5 表5 - 6 不同均匀预拉伸下的材料变形率( 二) 2 6 表5 7 不周窑口尺寸下变形率些线( 一) 2 7 表5 8 不同窗口尺寸下变形率曲线( 二) 2 7 表5 - 9 不同窗口尺寸下变形率曲线( 三) 2 8 表5 一1 0 不同窗口尺寸下变形率曲线( 西) 2 8 表5 1 1 不同电极厚度下变形率曲线( 一) 2 9 表5 一1 2 不弼宅校簿度下交形率瑟线( 二 2 9 表6 1 初始试验参数表3 4 表6 2 园整参数表3 5 表7 1 试验数据表4 2 表7 2 援袋毫压与羰变形黪关系4 3 表7 3 预变形与单位厚度上极限电压的关系4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金壁王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：噍蹿娲签字日期：以年f | 月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金丛至些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆兰、业太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可咀采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学者繇邀雅即虢浔黟 签字日期：w p 锌f f 月f ie t 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 签字日期：w - 缶月曰 电话 邮编 致谢 本论文是在我尊敬的导师吕新生老师悉心指导下完成的。吕新生老师 严谨求学的科学态度、扎实广博的专业知识、忘我工作的敬业精神和丰富的实 践经验使我受益匪浅、终身受益。我在攻读硕士学位期间所取得的每一点进步 都离不开导师的指导和帮助，尤其对我在研究生阶段的学习和研究工作方面倾 注了大量的心血，在物质上和精神上都给予了极大支持。在这两年多的时间里， 导师不仅在学业上给予我精心的指导，而且在生活方面也给予了无微不至的关 怀。 感谢c a d c a m 中心的张晔、王晓枫、曹文钢、陈科等各位老师对我的支 持和帮助。 感谢居刚、王亮、陈娟、冯敏亮、李刚、周志斌、张景权等研究生在此期 间给予我的帮助。 感谢我的父母，感谢他们这么多年来对我关怀和支持，感谢他们为我无私 奉献的一切。 最后感谢所有关心、支持和帮助过的老师、同学和朋友。 作者：赵翠清 2 0 0 6 年l o 月 第一章绪论 1 1课题研究背景 微型机械泛指尺寸范围为毫米、微米或纳米级，可对声、光、电、热、磁、 运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的，集微机构、微传感器、微驱 动器、微执行器和微控制器为一体的微型机电装置f 1 】i2 1 ，在美国称为微型机电 系统m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，在欧洲指微型系统技术m s t ( m i c r o s y s t e m t e c h n o l o g y ) ，在日本，则是微型机器( m i c r om a c h i n e ) 。 微机械结构简单，重量轻，能耗低，动作灵活，相对承载能力高，抗破坏 能力强，符合环保，可应用于机械的高级维护、环境监测、人体管腔诊疗、微 创或无创外科手术、生物基因工程等需要微型、微细机械的场合，是目前世界 范围内最活跃的研究领域之一，近几年来发展十分迅猛，并逐步在汽车、电子、 机电、生物医疗等行业和军事领域展现了极大的应用潜力。 微驱动器，或称微型执行器，是一种重要的执行机构。它的主要功能是实 现力( 包括扭力) 和或位移( 包括线性位移和角位移) 的输出，是m e m s 的 重要组成部分。微驱动器的驱动原理有多种，目前常见的有电磁引力、静电力、 压电效应和电致伸缩效应、磁致伸缩效应和磁弹效应、形状记忆效应、热膨胀 效应、光致伸缩效应”j 等等。 微驱动器一直伴随着微机电系统的发展而发展，与微型传感相比，微型驱 动技术的研究相应落后，目前所用的各种驱动器综合性能不尽如人意。现有的 微机械产品大多是压电陶瓷驱动，部分是形状记忆合金。电场活化聚合物( e a p ) 富有弹性、重量轻、变形大，驱动效率高、抗振动性能好，极像动物的肌肉， 被认为是构造未来更具柔性的微驱动器的最具优势的材料之一，在医疗、仿生 机械微驱动和传感等方面具有极大的应用潜力，目前只处于实验原型阶段，例 如美国n a s a 和喷气推进实验所( j p l ) 的个项目，全部以e a p 来制造人工 肌肉驱动器，作为机器人面部肌肉的驱动装置。 与微机械技术展现出来的极为广阔的研究领域和极大的应用潜力相比，现 有的研究和开发出的产品只是冰山之一角，本项目是将来进一步开展基于e a p 驱动的微型机械系统特性、微型机械设计的基础问题具有重要的作用和意义。 1 2m e m s 发展情况及智能材料应用 1 9 8 7 年，美国u cb e r k e l e y 大学发明了基于表面层技术的微马达，标志着 m e m s 技术的开始。1 9 9 3 年，美国a d i 公司将微型加速度计商品化，并大批 量应用于汽车防撞气囊，标志着m e m s 技术的商品化。2 0 世纪9 0 年代，微型 机械在国外已受到政府部门、企业界、高等院校和研究机构的高度重视，发达 国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。 美国政府连续大力投资，把航空航天、信息和m e m s 作为科技发展的三大 重点；美国宇航局投资1 亿美元着手研制“发现号微型卫星”，美国国家科学 基金从1 9 9 8 年开始，资助m i t 、加洲大学等8 所大学和贝尔实验室从事m e m s 的研究与开发，年资助额从1 0 0 万、2 0 0 万加到1 9 9 3 年的5 0 0 万美元。美国一 家公司研制了手掌大小的微型飞机，可以在空中飞行3 0 分钟，距离可以达到几 公里。 从1 9 9 1 年开始，日本通产省展开了一项为期1 0 年、耗资2 5 0 亿日元的微 型大型研究计划。包括研究可以进到设备内部去进行非破坏性检测维修的微小 机器人，和一个可以进入人体血管，进行病情诊断和治疗的微型系统。筑波大 学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加 了该项计划。 德国科技部1 9 9 0 1 9 9 3 年拨款4 万马克支持“微系统计划”研究，把微系 统列为本世纪初科技发展的重点。法国1 9 9 3 年启动7 0 0 0 万法郎的“微系统与 技术”项目。欧共体组成“多功能微系统研究网络n e x u s ”，联合协调4 6 个研 究所的研究。瑞士1 9 9 2 年投资1 0 0 0 万美元进行m e m s 的开发工作。英国政府制 订了纳米科学计划，在机械、光学、电子学等领域列出8 个项目进行研究与开 发。 近几年，m e m s 技术发展迅速，例如美国朗讯公司开发的基于m e m s 光开 关的路由器已经试用；目前部分器件如微型加速度计、微型压力传感器、数字 微镜器件( d m d ) 、喷墨打印机的微喷嘴、电子助听器、生物芯片等已经实现 了产业化，且应用领域十分广泛。近年来国际上m e m s 的专利数正呈指数规律 增长，说明m e m s 技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来【3 】。 “九五”期间，我国有关部门投入了一定经费支持微机电系统的研究。通过 微齿轮、微泵、微电机、微型飞机和微型陀螺等的研究，在微机电系统领域取 得了突出进展。在基础理论方面，开展了微运动学、微动力学、微摩擦学、微 流体力学等研究，提出和发展了由于尺度效应而产生的微机械学。国家科技部 将m e m s 确定为“十五”8 6 3 计划重大专项，在微型器件和系统研究方面部署了 面向医疗和环境检测的微系统研究，包括微流量控制的微阀、微泵和微喷等微 执行器、多功能全血生化检测微系统、人体腔道微型诊疗系统、微型药物释放 系统等。 经过1 0 年发展，我国已在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感 器和制动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操 作系统、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果。广东工业大学与日本筑波大 学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究，已研制出一维、二维联动压电 陶瓷驱动器，其位移范围为1 0um 1 0um ；位移分辨率为0 0 1um ，精度为 0 1um ，正在研制6 自由度微型机器人；长春光学精密机器研究所研制出直径 为中3 m m 的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统。上海冶金研究所 研制出了微电机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出中2 m m 的电 磁电机，南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等。如今，微机电系统技 术己开始在我国的社会生活中发挥作用，如微操作机器人已开始用于生物工程 中的细胞分割、显微手术和生物芯片的制造工艺中；微传感器已经用于飞行器 的加速度、压力等参数的实时测量：纳米薄膜润滑技术已用于“长征三号”火箭 和计算机硬盘的制造工艺上。可以预见，微机电系统技术将在2 1 世纪我国国防、 航天航空、信息工程、医疗卫生和生物工程等重要领域发挥巨大的作用h j 。 近年来，人们发现了很多新型材料可用于m e m s 中，其中电活性聚合物就 是一种很好的智能驱动材料，并且在其他领域也有广泛的用途和开发前景。电 活性聚合物( e a p ) 是一类能够在外电场诱导下，通过材料内部构造改变产生 多种形式的力学响应的材料。航天技术的发展过程中，为了减轻飞行器的重量， 有机聚合物材料因其密度较低而受到重视，被用于部件制造和结构方面。近来， 聚合物的其他特点如回弹性能等引起科技界的关注，1 9 9 7 年7 月4 日火星探险 者的着陆器用的可充气软垫就是用电活性聚合物制成的。此后，充气结构领域 的发明一时多如雨后春笋，应用领域有移动器、充气塞、充气望远镜、雷达天 线等。 电场活化聚合物最引人注目的特点是在仿制生物肌肉时表现出来的高韧 性、高传动应变和内在减震能力，所以它获得了“人工肌肉”的美称【6 j 【，并 为制造真正意义上的仿生机械人提供了可能性。目前，科学家们正致力于研制 用仿真肌肉传动的机械人手臂，其“臂力”已经能够胜过真人。估计再过几十 年，利用e a p 材料替换损坏了的人体肌肉，制成某种意义上的“仿生人”的目 标将可以实现。e a p 在集成多学科的成就的基础上将形成模拟地球上所有生物 的崭新计划。列入计划中的生物功能有像猫一样的软着陆、像蚂蚱一样地跳跃 和像蚂蚁一样的会挖掘和合作。 在不断加深了解并改进e a p 材料的实用性、耐久性的同时，宇航方面的应 用也取得相应的进展，e a p 有可能成为传统传动元件如马达、齿轮、轴承和螺 旋紧固件等的代替品【1 0 儿“j 。 e a p 传动器另一方面的应用是种可控闭环的微型机械人手臂。还有用 e a p 制造的四爪模拟手，抓取岩石等物件时，操作行为和人的手指相似。 科学家们现在正在研究和开发一种可抗地心引力的“超人服”。士兵穿上“超 人服”奔跑、跳跃的能力能够接近于“超人”的水平：借助于e a p 的助力，甚 至可以轻而易举地跳过2 0 英尺的障碍。 科学家还找到一种新的电场活化聚合物材料，即聚毗咯，经过加工之后， 外加电压时，这种聚合物分子的结构会发生根本性的变化。变化的形式很像手 风琴演奏时的一张一台，和肌肉的运动方式非常相视。不仅如此，这种看起来 银豫邀工胶沓一撵豹薄薄憋黑色繁越，冀坚韧稷攫竟然比嚏乳动物的肌肉要嵩 出l o o 倍1 1 3研究内容及论文结构 本次课题的研究内容主要是可用于m e m s 纳新型智能驱动材料e a p 的运 动和力学等特性的定量试验研究。 第一章绪论；简要介绍课题背景，微机械的的国内外发展情况以及新型 智慧稀释斡应角蓠袋。 第二章微型机械驱动材料介绍：首先介绍材料的驱动原理一一麦克斯韦 应力，然螽舟绍驱穗餐嶷誊孝辩一毫场溪他聚合物魏分类，芳涛毫场溪往聚食 物与其它几种电致伸缩材料( 如非弹性的压电聚合物，形状记忆浆合物，电化学 聚合甥等等) 豹毪裁特点搀瓣毙。 第三章试验设计：简要说明试验内容、目的、材料、设备、试验流程图； 试验蠹设计；然后遴 亍数撂处理流程说明。 第四章试验过程：样品的制作；具体试验操作( 固定，加压，抓闰，记 录) ，列举一组图片；介绍圈片转化成数据的过程；m a t l a b 程膨说明；c a d 程 序说嚼；数据整理得到变形率数据，列举并介绍原始数掇转化成变形率的方法。 第五章数据分析：分别对四个因素进行分析，并列举大懿图片和曲线圈 说明；推溅膜厚霞豢翦影响。 第六章多因素分析一二次正交回归试验：介绍二次正交回归试验方法， _ 荠设计二次爰交霞翔试验，褥嚣酗疆试验德及羁癌方程，然蠢送行试验篷与露 归计算值对比，最后得出试验结论。 第七章破坏分辑：浚甥分掇璇螺枫遴茨意义帮玻嚣类型，缝合数据分撰 极限电压与预拉伸的关系，以及单位厚度上极限电压与预变形之间的关系，同 对攘懑电场瀵化聚合物戆疲力一政变关系，最蜃总结羁推测破塥辊理。 第八章总结和展望，设想元件的设计。 第二牵微型枧械驱动材料介绍 2 1材料变形机理一麦克额韦应力 电场满化聚合物( e l e c t r o a c t i v ep o l y m e r - - e a p ) 怒类麓够在井电场诱静 下，通过材料内部构造改变产生多种形式的力学响应的材料。响应的形式可以 育种缩、弯曲、索綮或膨胀等，从而可激实瑶举雩| 、紧霞等税缀功鼗。e a p 褪 料密度较低而应变能力却很大，比坚硬质脆的电活性陶瓷约高两个数量级，丽 在瑟弹往方蟊翔後予形状记忆台垒( s m a ) 。 e a p 富有弹性、重量轻、变彤大，驱动效率高、抗振动性能好，极像动物 兹魏凌，被谈必是 奄遥来采更其鬃洼数擞驱动爨豹最最佬势静毒葶料之一。缝缘 弹胶体驱动器( d i e l e c t r i ce l a s t o m e ra c t u a t o r d e a ) 是由属于e a p 的一类材料的 d e ( d i e l e e t r i ce l a s t o m e r ) 裂戏的驱动爨。 e a p 之所以能被认为是制作微型机械中电致动器的理想材料，实质是它谯 电场中能受到麦竞斯韦应力两馒翻身大蠛度地形变的缘故。处于电场中的绝缘 弹性聚合物会沿电力线的方向收缩，同时沿垂赢子电力线的方向膨胀。这种现 象被称为麦克颠书应力，是电场涵化聚食物致动器的基本作用原理【l2 】q ”j ( 图 2 一1 ) 。 图2 - - 1 麦克攒韦应力现象 d e a 犹如一个电容器：中间层是d e 薄膜，上下两层是屈从电极，当上下 电极遥电屠，娩麓于电场中并随之产生形变，裰形交鹃闻辩，两极的电裰也陵 电场活化聚合物薄膜的改变一起变化，并保持其导电性，这样使薄膜始终处在 电场中。薄膜在毫场中静桶应主瑟是由予两巾电极上静静电子稽互妥萼| 产生黪 应力导致的。简单地讲就是异性电荷相互吸引，同性电子相互排斥的静电学原 理。 用这个简单的静力学模型可以得到由薄膜两极产生的沿电力线方向的压威 力关予羚爨憩压的遗数，箕浍电力线方翔靛压盛力p 为： p 一8 s 。e 。一8 s o ( v d ) 2 ( 1 ) 其中：为绝缘卷数，。为真空分电常数( 8 。8 5 1 0 2 f m ) ，e 为电 场强度，v 沟施加电压，d 为电力线方向的材料庠度。 2 2电场活化聚合物的分类 根据电活性聚合物的适用性，主要将它分为两类：电子型和离子型。他们 各自的优缺点如下： 电子型 优点：能在常态下长时间工作 响应快速( g m 级) 能在直流活化条件下产生应变 诱发大驱动力 缺点：要求高电压( 1 5 0 m v m ) 要求在应力和应变间协调 离子型 优点：大挠度位移 主要提供挠度动力 要求低电压 缺点：在直流电压下不能保持应变 响应速度慢 诱发小驱动力 在 1 2 3 v 的水系统中持续水解 2 3 性能对比 软硅树脂、聚丙烯酸橡胶等是常用的电场活化聚合物，在发现电场活化聚 合物可以用作驱动器之前，人们已经发现了很多可以用作驱动器的材料，例如电 致伸缩聚合物、压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩体等等。其中很多材料与 电场活化聚合物有类似的性能 1 哪，下面将它们的各项性能参数逐一对比如 表2 1 ： 表2 - 1材料性能对比表 弹性能 相对 驱动器类型最大应变最大压力密度最高效率 速度 ( )( m p a ) ( j c m 3 ) ( ) 丙烯酸绝缘橡胶 3 8 07 。23 46 0 8 0中等 硅树脂绝缘橡胶 6 33 0o 7 59 0快 电致伸缩聚合物 41 50 3 ( p ( v b f t r f e ) )快 压电陶瓷( p z t ) o 21 1 0o 0 19 0 压电单晶( p z n p t ) 1 71 3 11 o9 0快 压电聚合物( p v b f ) o 14 8 0 0 0 2 4 n a 形状记忆合( t i m ) 5 2 0 0 1 0 0 试验设备：高压h d 2 0 0 5 型数显式高压直流电源 惫篷表试验台架蠹流稳压链源 0 2 m a 保险丝导线绝缘胶布 绝缘方板( 1 3 0 x 1 3 0 x 3 m m ) ( 中。办开錾形瀣霜蛰4 0 m m 、0 7 0 m m 、 0 1 0 0 m m 、m 1 2 0 m m ；中心开方形窗口4 0 x 4 0 m m ，7 0 x 7 0 m m ) 匿3 - 1 试验觋场 工作流程： 图3 - 2 工作流程图 9 一 3 2 试验步骤 ( 1 ) 搭建试验电路，确保形成正确的回路，同时加保护电路，实验现场如 图3 l ； ( 2 ) 按试验安排的预拉伸大4 , n 作薄膜样晶( 图3 3 ) ，按电极厚度要求在膜 两侧均匀涂抹电极； ( 3 ) 固定电裰辱l 出导线，使簿线与电极傈持良好接触，戳免造成试验现象 不明显或他试验事故； ( 4 ) 将做好释黼静绝缘试验板鸯上褥 下装上支鹰，固定支座的位置，在支座难 蘸方安装好辖税，诞整焦距，舔特支痊专 相机件距离不变，以便减少图像处理时 产室的误憨； ( 5 ) 打开总电源，再打开高压电源， 蓬搬2 0 0 v 左毫奄蓬压，耀毫压凌测试薄 膜两侧电压值，以确认电路工作难常，如 果测撂豹如压与熬飙也压穰差缀多，盈3 - 3 样品示意盈 则说明电极与引出线接触不佳，如不及时校正，则会严重影响试验效粜； ( 6 ) 均速升高电压，溅察薄膜变形现象，采集关键时刻的电压值和图片； ( 7 ) 待膜破裂立即降低电压，关闭瞧压源； 3 3试验装置设计 圈3 _ 4 支瘫 支瘫( 蚕3 4 ) 材料：强化绝缘术 结构：底鹰( 2 3 0 1 0 0 1 0 m m ) ，支架 5 2 1 6 1 3 0 m m ) ，凹糖( 0 5 m m x l 3 0 m m ) 作用：支廉结构简单稳定，弧形稽是试验板的楚位稽，安装试验板只需沿定位 援癌上面下插入即可，装卸方便，提高试验效率。 圆孔m l o o m m 淘3 5 试验板 圆孔咖1 2 0 r a m 试验投( 图3 - 5 ) 材料：绝缘耀料板 结构：1 3 0 x 1 3 0 x 3f f l g l 中心孔尺寸见上图 作用：配合预拉伸和窗口尺寸的琦；同要求固定薄膜 3 4数据处理流稷 ( 1 ) 将采集的图像用基于b 样条小波的图象边缘提取技术在m a t l a b 中进行后续 图象处理，将j p g 格式酶图像文 牛转换成b m p 稽式； ( 2 ) 简化b m p 图，去掉多余线条，保留主要轮廓； f 3 在c a d 中鸯瑟载“建瑗t x t 格式熬b m p 圈”糕序，调入b m p 图螽按程亭捺 令计算出变形前后变形区域的面积和周长； f 4 ) 整理电疆数摆秘诗冀数据，镑+ 算窭樱疲电压下戆变形率； ( 5 ) 统计分析变形肇数据，总结影响变形率的因索，分析其影响规律； 强) 列出主鼗因素的土下黢，剥爆二次正交霞归试验【2 1 j 褥到掰靛试验安摊表， 重新进行试验，将试验得刹的变形率带入程序，得到回归方程和最优瞄标函数 值，同时褥剥显著燃检验结果； ( 7 ) 比较试验值和裰序计冀值。 4 1 箭作样品 第医章试验 图4 一l 样品 弛上图如i 黢幂菇经2 0 0 2 0 0 预挝 孛，邀援厚度0 4 5 m m ，蜜墨直经 虚，4 0 m m 的样品，制作样品需要经过以下过程： ( i ) 选定h n 1 1 1 0 材糕3 x 3 m m 作为躁始大小，按照预拉 孛要求计算在预披 伸之聪材料的大小，并按照此规格将材料在垂直于边的方向上均匀拉佛，利用 材料本身的粘性将其固定在试验扳上，保证扳上所开窗阴位于材料的中央； ( 2 ) 保掩滓膜表蕊的整洁干净，避免杂质和翔痕的磁现，戳免试验出琥凳 常： ( 3 ) 将中心壹衽1 9 m m 豹函形藐模板鬣予薄膜两诵溢的串，在摸藐率秘 匀涂上导电膏作为电极，去掉模板，用导电膏添加中央电极水平方向的引出线， 禁壹鬻条弓| 穗绫重会； ( 4 ) 用细导线一头与电极引出线保持良好接触，并用绝缘胶布固定在试验 扳上，另一端德与钤赛电路相连。 4 2试验摄终 ( 1 ) 将做好的样品插入支架的凹槽中； ( 2 ) 将惫掇弓l 惑溃线运鹃导线与整令魄照相滗，确嫖爨护电路工撂正豢； ( 3 ) 打开直流稳压电源，将其调到合适的输出状态，打开高压直流电源， 匀速上调电压，在2 0 0 v 左右时测试电路工作正常，薄膜两端电压损耗正常霜 再继续上调； ( 4 ) 抓取图片，同时记泶电压值及相关数据；如图4 成记录 ( 7 ) 5 7 0 0 v 图4 - 2 图片记录( 8 ) 5 7 5 0 v - 1 4 - 4 3 数据转化 采集到图片后要经过以下图4 - 3 所示流程对图像数据进行处理，先利用基 于小波变换的图像边缘提取转化成b m p 图，再将其转化为文本文件的格式， 这些工作都是通过使用m a t l a b 工具完成的，接下来的工作需要在c a d 中完成， 将计算面积和周长的程序加载入c a d 中，调入文本文件后b m p 图像将在c a d 中重现，因为图中的边缘线繁多，很多是与求面积周长不相干的线和点，对冗 余线和点删除后，使其为点构成的单层圆弧，最后使用程序步骤便可计算出面 积和周长。 lj p g 图像文件b 纽山l 巫i 叫b m p 图像文件l 上工a 山丘一文本文件i l 曲换边缘提取l 以件格式转化l t j l cadcad i 面积和周长卜一多余边缘处理卜= 一 重现 i i 一 【i手工 l _ 一一j 图4 - 3 数据转化过程 4 3 1基于小波变换的图形边缘提取 边缘是图像最基本的特征之一，主要表现为图像局部特征的不连续性，是 图像中灰度变化比较剧烈的地方，也就是我们通常所说的信号发生奇异变化的 地方。 边缘检测的实质是采用某种算法来提取图像中对象与背景的交界线。我们 将边缘定义为图像中灰度发生急剧变化的区域边界。图像灰度变化的情况可以 用图像灰度分布的梯度来表示，因此我们可以用局部图像微分技术来获得边缘 检测算子。经典的边缘检测方法是对原始图像中象素的某小邻域来构造边缘检 测算子。 多尺度边缘检测方法是一种比较有效的边缘检测技术，小波变换正是基于 多尺度分析建立的一种分析方法，它是在近年来兴起的热门信号处理技术，其 良好的时频局部特征特别适合做图像处理。小波变换是一种信号的时间一尺度 分析方法，它具有多分辨分析的特点，小波分析在对时域和频域同时具有良好 的局部化性质，这是因为，小波函数是紧支集，而三角正、余弦的区间是无穷 区间，所以小波变换可以对高频部分采用逐渐精细的时域或空域取代步长，从 而可以聚焦到对象的任意细节，被人们称为“数学显微镜”。算法原理参见 文献20 1 。 本次试验使用的是改进后的边缘检验方法，它基于小波变换的方法，可以 使在检测处理中图像边缘相互影响所造成的边缘混叠现象减少到很小，算法流 程见图4 4 ； 读入原始图像f ( x ，y ) 一 + 一 瑚 咭 s ! “f ( x ，y ) = s ! f ( x ，y ) + 开z “f ( x ，y ) = ，( 马y ) + g j 阡孑“f ( x ，y ) 2 s 刍( x ，y ) + g j i 刊+ z f “ 计算出行上小波系数的 最大值点。f ( x ，y ) + | 计算出列上小波系数的 j 最大值点阿? f ( x ，y ) 吐 t f 竺! 竺：j 由w f ( x ，y ) r 滤除 尺度j 卜的伪边缘 j 边缘图像jj 1 j = j j i w 7 盒 图4 一l 改进的边缘检测算法流程图 1 6 图中g 、h 分别对应于小波函数的高通、低通滤波器系数，酬、 ：分别表 示在g 和h 的相邻系数间插入2 一1 个零而得到的离散滤波器，n 表示分析尺度， 酬厂b ，y ) 为概貌图，其中s 。f ( x ，y ) 为原始图像，w s f ( x ，y ) 为细节图像，i 表示分 解尺度，j 表示需要分解的最大尺度。 在m a t l a b 中执行的转化过程举例： i _ i m r e a d ( 3 0 0 0 v ，j p g ) ；一在指定的文件目录下调入文件名为“3 0 0 0 v ”的j p g 图 j 2m o d u l u s 3 j i e ( i ， o 0 5 ，0 2 】) ；对指定图像进行边缘提取处理 i m s h o w ( j ) 一显示边缘提取后的图像( 图4 5 ) 另保存此图像为同名的b m p 格式文件；转化成b m p 格式 i 2 i m r e a d ( 3 0 0 0 v ，b m p ) ；调入文件名为“3 0 0 0 v ”的b m p 图 ie n t e r 将b m p 图转化为文本文件( 图4 - 6 ) ( a ) 边缘提取前j p g 图 ( b ) 边缘提取后b m p 图 图4 - 5 边缘提取结果 oo 00 00 02 5 5000 000000 000 1 7 o o o 0 0 0 0 o o o 0 0 o 0 0 o o o o 0 o o 0 0 o 0 0 4 啦。 o o o i 刍眦 o o o o o 0 o o 0 0 o o o o o 0 0 o o 0 o o 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 o o o 5 5 5 5 2 2 0 5 5 5 d 0 ) o l l s l o o o 0 0 o o o 0 0 0 o o o 0 o o o o 0 o o 0 0 o o 0 o 0 o 0 0 o 0 o o o o o 0 0 o o o o o o o o 0 o o 口 0 0 o o 0 o 0 0 002 5 50 0 0 000 0 00 0000002 5 5 2 5 5000000 00 00 00 00 爨4 - 6 文本文l 串 4 。3 2 a u t o l i s p 楚灌程廖 a u t o c a d 是一个通用的c a d 开发软件包，它不仅县有强大的图形绘制与 绽爨功麓，薅显薅系络穆开效，允毒年爱户对它逃学定铡与开发，v i s u a ll i s p 楚 a u t o c a d 中的一个开发工具。利用这个二次开发的功能，在a u t o c a d 的工具 拦申增热了诗算曩形嚣积秘周长憋“处理t x t 揍式豹b m p 圈”愈令，邋过如载 和远行指定程序，实现对b m p 图的面积和周长计算。在c a d 中的求解过程如 图4 7 ，输鹚结果贝图4 8 。 ( a ) c a d 雯现b m p 图( b ) 边缘提炼( c ) 闭合曲线求解面积 圈4 - 7 求勰过程中熬整形 围4 - 8 输出结果 rr e a dr e s u l t ( ) ； 程序函数 曼：= 蠹：又 lp o i n t p o l y l i n e ( ) ； 读取结果文件 魄较周长秘箍积 读取b m p 圈并将点编号列表 计簿躅长稳蘑积 指定应用程序所在的文件夹并加载 l 调入t x t 格式的b m p 图 c ：r e a db m p t x t ( ) ，手工简化b m p p o i n t p o l y l i n e ( ) ；将一组点转化为p l i n e 线 i 指定求解范围的一点 指定求解范围的另一点 ， 、 生成所选区域的点表1 i s p p o i n t 取得实体名及数据表 指定图形起点 i ， 将范围内的点按最近距离排序，求出弧长；作出 封闭图形：用v l a 函数求面积 i 输出面积和弧长结果 不均麓疆拉 孛变形豹撩嚣 通电前通电后 黼5 2 不筠萄鞭拉伟( 1 0 0 x 3 0 0 ) 试验中发现；幽x 、y 两个方向预拉伸比例不一样时，会出现大面积褶皱， 褪皱纹瑾懿走蠢为羧拉 枣夺鹣方淹，鹜像骞呈凌撩霾形状兹缓国( 銎5 - - 2 ) 。 采用通电前绘制均匀( 直角坐标、极坐标) 网格的试样作进一步试验，根据试 验终莱( 銎5 - 3 ) 可敬判懋：兹辩在毫场中鲍交澎方超为( 爨澎电极) 半径方 向，不均匀予员变形对材料的变形越到了定的阻碍作用。 鎏形毫援，蔽熊稼) ( 圆形电极，直角嫩标) 固驽岛骥菠转变璐戆镑滗 遥凌静 ( 方形电极，真角怂标) 簿5 心楚黪弼辫鎏 表5 - 6 不同均匀预拉伸下的材料变形率( 二) 电极厚0 4 5 r a m 膜厚1 1 0 m m 圆框中4 0 m m 1 0 0 0 0 9 0 0 0 8 0 0 0 7 0 0 0 t , 蕊 6 0 o o 氟 5 0 0 0 4 0 o o 3 0 0 0 ，- 2 0 0 0 ， p 一一 1 0 0 0 0 0 0 3 0 0 04 0 0 05 0 0 05 5 0 0 + 1 0 0 1 0 0 0 0 6 2 l 0 1 2 6 80 2 1 4 50 2 8 3 0 一2 0 0 2 0 0 0 1 5 7 70 ，3 0 7 30 6 5 3 80 9 9 3 7 电压( v ) 表5 - 5 5 _ 6 表明：预应变越大产生的变形率越大，且电压越高，斜率越大，对比 前面所述没有预拉伸变形的情况，可以判断：预拉伸对材料在平面内的( 面积扩大) 变形起到了诱发和引导的重要作用。