基于LMS Test.Lab的导电橡胶动态特性研究*

段建瑞， 李 斌， 李帅臻， 李 覃

(昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500)



基于LMS Test.Lab的导电橡胶动态特性研究*

段建瑞， 李 斌， 李帅臻， 李 覃

(昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500)

搭建了基于LMS Test.Lab的分析试验系统，进行力锤系统与激振系统的配置，对导电橡胶进行了试验，并对测试数据进行分析。其结果对于进一步改进导电橡胶压力传感器提供了理论依据。研究表明:导电橡胶作为柔性压力传感器基材具有较好的阶跃响应特性与频率响应特性，其固有频率随着导电橡胶厚度的增大而增大。

导电橡胶； LMS系统； 动态特性； 锤击法； 激振系统

0 引 言

由于压敏导电橡胶具有良好的导电率和柔韧性，以及制作工艺简单，低成本等特点，使压敏导电橡胶可以作为一种较为理想的柔性传感器敏感材料广泛应用[1,2]。日本的Shimojo M等人[3]基于压敏橡胶的特性设计了一种具有整体结构的柔性触觉传感器，徐菲等人[4]基于压敏导电橡胶设计了一种新型三维力柔性阵列触觉传感器，兼有柔韧性和可检测三维力的特征，实现了真正的类皮肤。导电橡胶具有良好的柔韧性、耐磨性，在一定的应力范围内电阻值随着应力的变化而变化，具有很好的压阻特性。导电橡胶力敏性传感器,就是利用导电材料的压阻特性设计的一种新型传感器[5,6]。

现有的橡胶动态特性主要是橡胶作为减振材料[7～9]和衬套材料[10]作用下的研究。各式各样基于导电橡胶的柔性压力传感器已经被广泛研究，但大多集中在静态性能的分析，压力传感器的测量对象不仅仅限定于静态参量，实际应用中,一般情况下均为动载荷。目前,对导电橡胶的动态特性研究较少，大连理工大学内燃机研究所康从会等人[7]，根据橡胶作为隔振材料用的动态特性测试要求，设计了一种基于LabVIEW的动态特性测试分析系统，实现了对试验数据的实时处理和输出结果的可视化。虽然LabVIEW是图形化的编程语言，可以快速地编写测试测量程序用于验证项目的可行性，但终归投入较大设计精力，在实际工程应用时还有诸多不便和困难。合肥工业大学田合雷等人[11]针对导电橡胶的动态特性做出了一定探讨，关于其频率响应特性研究采用时域响应说明纳米SiO2对导电橡胶的动态特性影响已足够，但对于导电橡胶本身动态特性，应在适频范围内进行扫频研究。

为了有效地设计、开发以导电橡胶为核心的柔性压力传感器，需要从理论上对导电橡胶的动态特性做出研究。关于导电橡胶的动态特性评价尚无统一标准，对导电橡胶的动态性能进行系统的分析，能够为柔性压力传感器技术的研究发展提供良好的理论基础，而且在了解了不同配方、不同尺寸合成的导电橡胶的动态性能以后，能够提出更多有效的方法来改进其动态性能，根据不同的测量需求选择不同的导电橡胶压力传感器。显然，对导电橡胶动态特性的研究十分必要[12]。本文搭建了基于LMS Test.Lab的分析试验系统平台，进行硬件、软件及力锤系统与激振系统的配置，对导电橡胶的动态特性进行测试研究。

1 导电橡胶动态特性测试系统结构与测试仪器

动态性能指标是评价衡量传感器动态特性的重要指标，主要有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。传感器的动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入信号的变化形式有关，传感器在实际工作中，随时间变化的输入信号是变化的，且由于随机因素的影响，往往测量前并不知道其特性，所以，工程上通常采用标准信号函数的方法来评定动态特性指标，最典型、最简单、最易实现的是以阶跃信号和正弦信号作为标准输入信号来考察传感器的动态特性。

本文测试系统主要采用的设备由工作台、力锤、激振器、加速度传感器、LMS SCADASⅢ可扩展采集前端、功率放大器、吸振材料、LMS Test.Lab分析软件组成，测试系统的连接结构如图1所示。阶跃响应特性测试采用如图连接结构，频率响应特性测试时将力锤换为激振器与功率放大器连接。

图1 动态特性测试系统结构

本文借助LMS Test.Lab测试系统的强大功能，实现导电橡胶阶跃响应特性与频率响应特性的测试与分析。该系统是比利时LMS公司开发的集数据采集、试验数据处理以及试验报告生成和数据共享于一体的集成解决方案，可以对所有输入的时间历程进行方便地浏览，并方便地选择特定的数据段。为了获得最优的动态性能，在阶跃响应特性测试过程中，自由—自由边界条件采用蓬松的棉花来实现，使其在Z方向处在一个相对自由度大的工况下。本次试验的导电橡胶尺寸较小，而惯性加速度传感器是目前运用最广的一类传感器，选择的加速度传感器也尽可能的小且灵敏度高。具体测试仪器及设备如表1所示。

表1 测试仪器及设备

2 试样准备

橡胶为双组分室温硫化硅橡胶GMX-331D(粘度25 000～35 000 MPa·s):蓝星新材料有限公司；乙炔炭黑(粒径10～30 nm):北京博宇高科新材料技术有限公司；稀释剂为石油醚(沸程第Ⅲ类90～120 ℃):天津市风船化学试剂科技有限公司；改性填料是纳米SiO2(粒径40 nm):北京博宇科技新材料科技有限公司。硅烷偶联剂Si69、催化剂二月桂酸二丁基锡、硫化剂正硅酸乙酯，天津市光复精细化工研究所。

实验原料的配比(质量比例)为:硅橡胶100份，石油醚70份，乙炔导电炭黑6份，改性填料纳米SiO22份，硅烷偶联剂Si69 3份，二月桂酸二丁基锡3份，硫化剂正硅酸乙酯7份。首先,将一定量的硅橡胶与适量稀释剂石油醚混合，然后依次加入乙炔导电炭黑,SiO2,Si69,二月桂酸二丁基锡，搅拌5 min使之充分混合。最后加硫化剂正硅酸乙酯，在继续搅拌同时用真空泵抽空，将混合液倒入固定模具，室温硫化22 h，试样在脱模后放置至不再发生变形收缩情况下再进行试验，根据操作经验可知此时间以3天为宜。其中S2,S3填充乙炔炭黑经过200 ℃下氧气表面氧化改性预处理。

表2 试样的主要参数

3 测试方法

3.1 阶跃响应特性测试

导电橡胶的阶跃响应特性测试采用锤击响应分析法[13]，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应。阶跃输入对传感器来说是较为严峻的工作状态，如果导电橡胶传感器在阶跃函数作用下动态特性都能满足测量要求，则在其他信号输入形式下，其动态特性也能有良好的表现。

试验所用力锤的末端连接到LMS Scadas III可扩展采集前端接口。在导电橡胶试样平面几何中心粘贴加速度传感器，使用力锤激励进行测试，获取响应点的振动加速度。在LMS Test.Lab Impact testing中，带宽设置为50 Hz，谱线设置为4 096。试验过程中，使用力锤对导电橡胶进行敲击，测量次数设置为3次，取其平均值。

力锤激励信号本应该是一个瞬时阶跃信号，但橡胶是一种粘弹性材料，具有独特的应力—应变性质，橡胶受力变形时贮存大量的能量，在回缩时将释放出贮存的能量，其对动态应力的响应是弹性响应和粘性响应的综合，可以用一个简单弹簧和黏壶两个元件并联来等效反映橡胶的这种行为，即Kelvin模型[14]，如图2所示。

图2 橡胶胶动态模型

其本构关系为

σ(t)=q0ε(t)+q1ε(t)

(1)

式中σ(t)，ε(t)为导电橡胶的应力和应变；q0=E，q1=η为弹性模量和黏度。

试样S1，S2的响应时间tr、峰值时间tp、稳定时间ts的测试结果如图3所示。其中，图3(a)，(b)为试样S1，S2力锤激励输入信号。由图可以看出:导电橡胶试样S1在力锤激励信号40 ms时往负方向延伸；导电橡胶试样S2在20 ms时往负方向延伸，这是由于上述材料本身的粘弹性造成的，且2个试样的衰减时间较长。

图3(c)，(d)为试样S1，S2分别为的力锤激励下的输出信号。其中，导电橡胶试样S1的响应时间tr<1 ms，峰值时间tp=22 ms，稳定时间ts≈800 ms；电橡胶试样S2的响应时间tr<1 ms，峰值时间tp=16 ms，稳定时间ts≈600 ms。

结果表明:试验平台可以对导电橡胶的阶跃响应特性进行测试；2个导电橡胶试样的响应时间tr<1 ms，作为压敏传感器的基材具有响应时间短的优点；试样S2的峰值时间比S1快6 ms、稳定时间快200 ms，更加适合作为柔性力敏传感器的敏感材料。试样S2的峰值时间、稳定时间明显优于S1，这是由于表面预处理后的乙炔炭黑在橡胶中分散性更加均匀，使导电橡胶复合材料的本身材料物理性能、静态性能更加稳定。

3.2 频率响应特性测试

导电橡胶的频率响应特性采用激振器输入的正弦信号来测试[11]，传感器的响应称为频率响应或稳态响应。依次将计算机、采集前端、激振器、功率放大器和加速度传感器连接好。在LMS Test.Lab Spectral testing中，通过通道设定，测量带宽设置为100 Hz，谱线设置为256，分辨率为0.390 6 Hz，采样率为200 Hz。扫频频率范围0～50 Hz，得到导电橡胶的频率响应特性测试结果如图4所示。

图3 阶跃响应

图4 频率响应

加载周期性外力时，各样品的响应周期与所施加的外力周期相同，表明导电橡胶作为柔性传感器基材的频率响应特性好。材料的固有频率判别为频率响应曲线的第一个最大波峰峰值，由图4可知:试样S1的固有频率为19 Hz；试样S2的固有频率为20 Hz；试样S3的固有频率为34 Hz；此结果与阶跃响应下的振动频谱图峰值频率基本一致。由试实验结果可知，乙炔炭黑的改性对导电橡胶的固定频率无明显影响，导电橡胶固有频率随其厚度的增加而增加。

综上所述，样品试样S1，S2，S3的动态性能指标比较如表3所示。

表3 试样的动态特性参数比较

4 结 论

基于LMS采集系统及其相关处理分析软件，搭建了实验平台，对导电橡胶的动态特性进行了研究，通过不同填料及相同填料不同厚度的导电橡胶试样进行了动态特性分析，为以导电橡胶为核心的柔性压力传感器的进一步优化设计提供了理论依据，对相似的柔性材料动态特性测量具有一定的参考价值，通过对试验结果的初步分析可以得出如下结论:

1)该试验平台可以对导电橡胶的阶跃响应特性和频率响应特性进行测试。阶跃响应测试可知导电橡胶试样的响应时间小于1 ms，作为力敏传感器的基材具有响应时间段的优点，各试样峰值时间都在20 ms左右，稳定时间都在1s内，说明导电橡胶传感器具有良好的阶跃特性。

2)预处理后的乙炔炭黑填充的导电橡胶输出信号峰值时间、稳定时间更适合做导电橡胶压力传感器基材。

3)得出了不同配方不同厚度导电橡胶试样的固有频率，乙炔炭黑的改性对导电橡胶的固定频率无明显影响，导电橡胶固有频率随其厚度的增加而增加。

对于诸如导电橡胶柔结构性系统，用锤击激励和激振激励会加剧其内部的非线性的动力学特性，如形成非线性阻尼，产生非线性响应，使得难以辨识真正的脉冲响应函数。今后还需要更进一步对其动态性能测试进行研究。

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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

国家自然科学基金资助项目(51167008)

TP 212.6

A

1000—9787(2017)08—0035—04

段建瑞(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为过程测量与控制、传感器。

李 斌，通讯作者，E-mail:kmlb@vip.sina.com。