阅读说明：本技术 用于电化学驱动的驱动测试装置及驱动测试方法 (Driving test device and driving test method for electrochemical driving ) 是由 邸江涛 王玉莲 李清文 于 2020-03-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于电化学驱动的驱动测试装置及驱动测试方法。该驱动测试装置包括：电化学系统,其包括信号施加装置、工作电极、对电极、参比电极以及电解质,其中,所述工作电极为待测人工肌肉纤维；测试系统,其包括载荷和数据采集装置,所述载荷设置在电解质外部,且所述载荷与所述工作电极连接,并能够在所述工作电极的驱使下运动,所述数据采集装置用于将所述载荷的位移变化信息以电压信号的形式输出并存储。本发明提供的驱动测试装置通过非接触位移传感器监测载荷的位移变化信息,进而实现对工作电极驱动信号的采集,且载荷外置,不存在被电解质液腐蚀的危险,使得该驱动测试装置更加安全。(The invention discloses a drive test device and a drive test method for electrochemical drive. The drive test apparatus includes: the electrochemical system comprises a signal applying device, a working electrode, a counter electrode, a reference electrode and electrolyte, wherein the working electrode is artificial muscle fiber to be detected; the test system comprises a load and a data acquisition device, wherein the load is arranged outside the electrolyte, is connected with the working electrode and can move under the driving of the working electrode, and the data acquisition device is used for outputting and storing displacement change information of the load in the form of voltage signals. The driving test device provided by the invention monitors the displacement change information of the load through the non-contact displacement sensor, so that the collection of the driving signal of the working electrode is realized, and the load is external, so that the danger of corrosion by electrolyte liquid does not exist, and the driving test device is safer.)

用于电化学驱动的驱动测试装置及驱动测试方法

技术领域

本发明涉及一种电化学驱动测试装置，特别涉及一种用于电化学驱动的驱动测试装置及驱动测试方法，属于电化学性能测试技术领域。

背景技术

人工肌肉纤维(Artificial Muscle Fiber)是近些年来发展的一类新型智能驱动材料，它可在外界刺激下产生可逆的伸缩、转动、弯曲等形式的运动，在日常生活、医疗、军事等方面都有重要的应用前景。人工肌肉的驱动方式可分为电热驱动、溶剂/气体的吸附与脱附驱动以及电化学驱动这三大类。电热驱动是由于电流产生的焦耳热使得肌肉纤维的体积发生膨胀，从而形成可逆的扭转和伸缩驱动，但是温度变化缓慢限制了频率，并且受热效应的影响，卡诺循环效率很低；溶剂/气体的吸附于脱附驱动是利用溶剂及气体分子在材料中的吸附引起体积的膨胀而形成的驱动，这一类驱动受环境的影响比较大，而且驱动频率比较低，响应时间长。

相较于以上两种驱动方式而言，电化学驱动主要是来自电解质中的溶剂化离子迁移到高度多孔的肌肉纤维内部导致纤维体积发生膨胀从而形成的驱动，这一类驱动易于控制，所需的控制电压低(5V以内，即溶剂电化学分解电压以内)，热效应可以忽略不计，并且在形式上更加符合生物体肌肉，因而更具优势。基于此，针对于电化学驱动的人工肌肉纤维进行研究，目前，电化学驱动的人工肌肉纤维可以主要分为两大类，一种是液体环境下，一种是组装成全固态。就液体环境下电化学驱动的装置来看，目前非常简陋又复杂，目前的电化学装置将整个测试装置均置于液体的电解质环境下，液体电解质环境包含酸、碱以及有机类物质，可能会对负载产生一定的腐蚀或者接触到有机有毒物质，对人体不利；采用高速相机拍摄的方式进行数据的采集，这一方式不仅数据量繁多、耗时长且误差大，无法将驱动信号随电化学信号的变化实时输出，所以，电化学驱动的装置亟需改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于电化学驱动的驱动测试装置及驱动测试方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例一方面提供了一种用于电化学驱动的驱动测试装置，其包括：

电化学系统，其包括信号施加装置、工作电极、对电极、参比电极以及电解质，所述工作电极、对电极、参比电极的一端设置在所述电解质中，另一端与所述信号施加装置电连接，信号施加装置用于向所述工作电极、对电极、参比电极施加电化学信号，其中，所述工作电极为待测人工肌肉纤维；

测试系统，其包括载荷和数据采集装置，所述载荷设置在电解质外部，且所述载荷与所述工作电极连接，并能够在所述工作电极的驱使下运动，所述数据采集装置用于将所述载荷的位移变化信息以电压信号的形式输出并存储。

进一步的，所述电解质被容置在容器中，所述载荷设置在容器外部，其中，所述载荷通过连接线与所述工作电极连接。

进一步的，所述连接线绕设在定滑轮上。

进一步的，所述数据采集装置包括位移传感器和数据采集卡，所述数据采集卡与所述位移传感器电连接，所述位移传感器用于测量所述载荷的位移变化信息，并将所述载荷的位移变化信息转换为电压信号。

更进一步的，所述位移传感器为非接触式位移传感器。

进一步的，所述信号施加装置包括电化学工作站。

进一步的，所述人工肌肉纤维包括导电纤维，所述导电纤维包括碳纳米管纤维或碳纳米管复合纤维。

进一步的，所述对电极包括铂片、铂网、铂丝、中间夹杂活化碳纳米管薄膜的铂网、中间夹杂铂网的碳纳米管薄膜中任意一种。

进一步的，所述参比电极包括Ag/Ag⁺电极。

进一步的，所述电解质包括无机电解质和有机电解质，所述无机电解质包括中性电解质液、酸性电解质液及碱性电解质液，所述有机电解质包含阳离子为四乙基、四丁基、四己基类的盐、阴离子为四氟硼酸根、六氟磷酸根的盐以及离子液体中任意一种或两种以上的组合。

进一步的，所述电解质包括固定电解质或液体电解质。

本发明实施例还提供了一种用于电化学驱动的驱动测试方法，其包括：

提供所述的用于电化学驱动的驱动测试装置；

以所述信号施加装置向所述工作电极、对电极、参比电极施加电化学信号；

以所述信号施加装置向所述工作电极、对电极、参比电极施加电化学信号，所述工作电极将所述电化学信号转换为驱使载荷运动的驱动信号；

所述载荷在所述工作电极的驱使下运动，以所述数据采集装置测量所述载荷的位移变化信息，并将所述载荷的位移变化信息以电压信号的形式输出并存储。

进一步的，所述电化学信号包括方波信号、三角信号、正弦信号中的任意一种。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种用于电化学驱动的驱动测试装置安全、便捷、更加高效，可实时展示驱动的变化，并实现电化学信号与驱动信号的实时输出；以及，本发明提供的一种用于电化学驱动的驱动测试装置通过非接触位移传感器监测载荷的位移变化信息，进而实现对工作电极驱动信号的采集；另外，该驱动测试装置的载荷外置于电解质和三电极体系之外，不存在被电解质液腐蚀的危险，使得该驱动测试装置更加安全，且载荷可以被更加便捷高效的更换。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中的一种用于电化学驱动的驱动测试装置的结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例中的一种用于电化学驱动的驱动测试方法的流程示意图；

图3是本发明实施例1中当施加信号为方波电压时，人工肌肉纤维的驱动量随时间的实时变化图；

图4是本发明实施例2中当施加信号为三角波电压时，人工肌肉纤维的驱动量随时间的实时变化图；

图5是本发明实施例3中当施加不同电压的方波信号时，人工肌肉纤维的收缩距离随时间的实时变化图；

图6是本发明实施例4中当施加不同频率的方波信号时，人工肌肉纤维的收缩距离随时间的实时变化图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

请参阅图1，一种用于电化学驱动的驱动测试装置，主要由工作体系、施加信号装置和测试系统三部分组成，其中，工作体系和施加信号装置构成前述电化学系统；

其中，该工作体系包括电解质1、工作电极2、对电极3以及参比电极4，四者缺一不可；该信号施加装置包括信号输入记录仪(即电化学工作站)10，其用于施加各种电化学信号，比如方波信号和三角波信号等；工作电极2、对电极3以及参比电极4的一端浸没在电解质中，另一端通过数据线与信号输入记录仪(电化学工作站)10进行连接，用于接收电化学工作站10传递的各种信号，例如电压、电流等；

测试系统，包括载荷6、非接触式位移传感器7、数据采集卡8以及电脑9，其中，数据采集卡8分别与非接触式位移传感器7以及电脑9连接，载荷6通过连接线与工作电极2连接，并能够在工作电极2的驱使下与工作电极同步运动，非接触式位移传感器7与数据采集卡8电连接，并用于监测载荷6的位移变化信息，并将该位移变化信息转换为电压信号，进而将该电压信号传输至数据采集卡进行存储。

具体的，电解质1被容置在容器中，该载荷6设置在容器外，以及，在载荷6与工作电极2之间还设置有至少一个定滑轮，用于连接载荷6与工作电极2的连接线绕设在定滑轮5上。

具体的，该工作电极2为待测人工肌肉纤维，该人工肌肉纤维包括导电纤维，所述导电纤维包括碳纳米管纤维或碳纳米管复合纤维，所述对电极包括铂片、铂网、铂丝、中间夹杂活化碳纳米管薄膜的铂网、中间夹杂铂网的碳纳米管薄膜中任意一种，所述参比电极包括Ag/Ag⁺电极；具体的，所述电解质可以是固定电解质或液体电解质；优选的，所述电解质包括无机电解质和有机电解质，所述无机电解质包括中性电解质液、酸性电解质液及碱性电解质液，所述有机电解质包含阳离子为四乙基、四丁基、四己基类的盐、阴离子为四氟硼酸根、六氟磷酸根的盐以及离子液体中任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

具体的，请参阅图1和图2，一种用于电化学驱动的驱动测试方法包括如下流程：

1)提供如图1所示的用于电化学驱动的驱动测试装置，将待测人工肌肉纤维作为工作电极2，用细线(即前述连接线)将其从容置电解质和工作电极的容器中引出，将细线通过几个定滑轮5连接到载荷6上，同时准备好对电极3、参比电极4，这两个电极与工作电极共同构成三电极体系，将三电极体系置于电解质溶液1中，将工作电极、对电极、参比电极的一端通过专用数据线与电化学工作站10进行连接；

2)以电化学工作站10向三电极体系(置于电解质液中的工作电极、对电极、参比电极)施加不同形式的电化学信号；

3)以测试系统进行驱动信号的采集与记录：将非接触位移传感器7与数据采集卡8进行连接并调试，非接触位移传感器7采集的位移变化信息将通过以电压信号的形式采集在电脑9上；

4)在电化学工作站10施加信号地同时，打开数据采集卡8，使得驱动信号与电化学信号同步输出；

5)将电化学工作站所得数据与数据采集卡所得数据进行保存，根据电化学工作站输出信号地不同，可以进行电化学驱动的相应研究。

实施例1

采用浮动催化法制备的碳纳米管纤维，并通过过度加捻形成螺旋结构，从而得到碳纳米管人工肌肉纤维，将其作为工作电极；对电极及参比电极分别为中间夹着活化后碳纳米管薄膜的铂网和Ag/Ag⁺电极，电解质液采用0.2M四乙基四氟硼酸铵(TEA·BF₄)溶解于碳酸丙烯酯中；

将工作电极、对电极、参比电极通过专用数据线与电化学工作站进行连接；

将数据采集卡提前调试好，将载荷与非接触位移传感器之间保持平衡；

在电化学工作站中进行参数的调控，设置电化学工作站的工作模式为计时电流法，并将高电压设为2.5V，低电压设为0V，频率设为0.1Hz，循环圈数为2圈；

同时打开电化学工作站及数据采集卡的开始按钮，从而得到碳纳米管人工肌肉纤维在电化学驱动下的驱动数据，得到在不同的方波电压下，人工肌肉纤维随时间的实时变化曲线，测试结果如图3所示。

实施例2

采用浮动催化法制备的碳纳米管纤维，并通过过度加捻形成螺旋结构，从而得到碳纳米管人工肌肉纤维，将其作为工作电极；对电极及参比电极分别为中间夹着活化后碳纳米管薄膜的铂网和Ag/Ag⁺电极，电解质液采用0.2M四乙基四氟硼酸铵(TEA·BF₄)溶解于碳酸丙烯酯中；

将工作电极、对电极、参比电极通过专用数据线与电化学工作站进行连接；

将数据采集卡提前调试好，将载荷与非接触位移传感器之间保持平衡；

在电化学工作站中进行参数的调控，设置电化学工作站的工作模式为循环伏安法，并将高电压设为2.5V，低电压设为0V，扫描速度设为50mV/s，循环圈数为2圈；

同时打开电化学工作站及数据采集卡的开始按钮，从而得到碳纳米管人工肌肉纤维在电化学驱动下的驱动数据，得到在不同的三角电压下，人工肌肉纤维随时间的实时变化曲线，测试结果如图4所示。

实施例3

采用浮动催化法制备的碳纳米管纤维，通过过度加捻形成螺旋结构，从而得到碳纳米管人工肌肉纤维，将其作为工作电极。对电极及参比电极分别为中间夹着活化后碳纳米管薄膜的铂网和Ag/Ag⁺电极，电解质液采用0.2M四乙基四氟硼酸铵(TEA·BF₄)溶解于碳酸丙烯酯中；

将工作电极、对电极、参比电极通过专用数据线与电化学工作站进行连接；

将数据采集卡提前调试好，将载荷与非接触位移传感器之间保持平衡；

在电化学工作站中进行参数的调控，设置电化学工作站的工作模式为计时电流法，并将频率设为0.1Hz,循环圈数为4圈，改变不同电压(1V,1.5V,2V,2.5V,3V)，数据采集卡保持一直开启状态，直至所有数据测试结束；

打开电化学工作站的始按钮，从而得到碳纳米管人工肌肉纤维在不同电压驱动下的驱动数据，得到在不同电压的方波电压下，人工肌肉纤维随时间的实时变化曲线，测试结果如图5所示。

实施例4

采用浮动催化法制备的碳纳米管纤维，通过过度加捻形成螺旋结构，得到碳纳米管人工肌肉纤维，将其作为工作电极；对电极及参比电极分别为中间夹着活化后碳纳米管薄膜的铂网和Ag/Ag⁺电极，电解质液采用0.2M四乙基四氟硼酸铵(TEA·BF₄)溶解于碳酸丙烯酯中；

将工作电极、对电极、参比电极通过专用数据线与电化学工作站进行连接；

将数据采集卡提前调试好，将载荷与非接触位移传感器之间保持平衡；

在电化学工作站中进行参数的调控，设置电化学工作站的工作模式为计时电流法，并将电压设为2.5V,循环圈数为4圈，改变不同频率(0.1Hz,0.125Hz,0.167Hz,0.25Hz,0.5Hz,1Hz,2Hz,4Hz,5Hz)，数据采集卡保持一直开启状态，直至所有数据测试结束；

打开电化学工作站的始按钮，从而得到碳纳米管人工肌肉纤维在不同电压驱动下的驱动数据，得到在不同电压的方波电压下，人工肌肉纤维随时间的实时变化曲线，测试结果如图6所示。

本发明实施例提供的一种用于电化学驱动的驱动测试装置安全、便捷、更加高效，可实时展示驱动的变化，并实现电化学信号与驱动信号的实时输出；以及，本发明提供的一种用于电化学驱动的驱动测试装置通过非接触位移传感器监测载荷的位移变化信息，进而实现对工作电极驱动信号的采集；另外，该驱动测试装置的载荷外置于电解质和三电极体系之外，不存在被电解质液腐蚀的危险，使得该驱动测试装置更加安全，且载荷可以被更加便捷高效的更换。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。