基于PVDF的振弦式次聲波傳感器設計

劉豪華， 萬 舟， 油錫存

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650000)

基于PVDF的振弦式次聲波傳感器設計

劉豪華， 萬 舟， 油錫存

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650000)

針對當前用于次聲波檢測的次聲波傳感器存在的一些不足，設計一種基于PVDF的振弦式次聲波傳感器，建立了振弦、彈性元件、壓電薄膜的數學模型，設計了調理電路，并對該傳感器進行測試和驗證。結果表明：該傳感器具有能對次聲波進行全方位接收、量程可調、靈敏度高、誤差小等優點。

聚偏氟乙烯； 振弦式； 次聲波傳感器

0 引 言

在聲波頻段中，頻率小于20 Hz的波段被稱之為次聲波。次聲波具有頻率低、波長長的特殊性，具有傳播遠、穿透力強、受干擾小等特征。次聲波的存在十分廣泛，例如：海上風暴、地震、火山噴發等自然災害都有可能產生次聲波[1]；生活中也常伴隨著次聲波，例如：大橋搖晃、汽車疾駛，甚至于家里的音響和攪拌機都會有次聲波的產生[2]。目前有許多國家都在致力于次聲波的研究，次聲波武器、次聲波勘探、次聲波預測預警等都是最近的熱點，可以預見，未來次聲波將有更廣闊的用途，因此，對次聲波的檢測具有極大的實用價值和科學意義。現有的用于次聲波檢測的次聲波傳感器還有一些諸如靈敏度低、頻率范圍小、體積大、不便于安裝和對環境要求高等缺點，基于此，本文設計了一種基于PVDF的振弦式次聲波傳感器。

1 測量原理

本文設計的基于PVDF的振弦式次聲波傳感器，利用振弦作為接收元件，能夠全方位地接收次聲波并產生振動，振動通過弦馬傳遞給彈性膜片，彈性膜片的振動引起貼在彈性膜片上的PVDF響應，PVDF壓電薄膜具有良好的壓電特性，可將接收到的振動頻率的變化轉變為電荷量的變化，然后通過調理電路將電荷量的變化轉換成輸出電壓的變化，從而建立輸出電壓與次聲波頻率的關系[3]。此外，振弦的有效長度由2個弦馬確定，其中一個弦馬可在一定范圍內移動，使振弦的有效長度可調，從而使本文所設計的傳感器量程可調。

2 傳感器的結構與設計方案

為了能夠對次聲波進行全方位接收，本文設計采用振弦作為接收元件[4]，振弦由支架兩端的夾弦裝置固定，為使所設計傳感器量程可調，需使振弦的有效長度可調，兩弦馬之間的振弦長度為振弦的有效長度，為此,在固定支架右側底板安裝一導軌，右側弦馬可在導軌上移動，從而改變振弦的有效長度，左側弦馬需傳遞振弦的振動，因此,將左側弦馬安裝在彈性膜片的圓心處，彈性膜片下側粘貼PVDF壓電薄膜，在固定支架左側設計一圓形部分，用以固定彈性膜片。傳感器結構如圖1所示。

3 PVDF壓電薄膜特性與粘貼位置分析

PVDF作為新型的高分子壓電材料柔韌性好、機械強度高、振動模式簡單、可在較大溫度范圍內工作，而且性能幾乎不受濕度影響，對環境要求低。通過有限元軟件ANSYS

圖1 基于PVDF的振弦式次聲波傳感器結構圖Fig 1 Structure diagram of vibration wire infrasonic wave sensor based on PVDF

對彈性膜片進行分析可知[5],應變在膜片中心處最大,且在半徑1/2處出現徑向應變拐點,且拐點到膜片邊緣處的一段線性度非常好,這為本文設計的PVDF壓電薄膜在彈性膜片上的粘貼位置選取提供了依據。圖2中區域BOC為PVDF薄膜的最大粘貼區域，小圓代表PVDF薄膜。

圖2 PVDF壓電薄膜粘貼位置示意圖Fig 2 Diagram of paste position of PVDF piezoelectric film

圖2中,D代表一個微單元，對該點所受的徑向應力進行分解，分解為水平方向和垂直方向的2個分量[6]，分解后,點的電荷量可表示為

dQ=EPd31ε31dS+EPd32ε32dS

=EP(d31εrcosθ+d32εrsinθ)dS,

(1)

式中d31,d32為PVDF薄膜的常數，且d31=23 pC/N,d32=5 pC/N；dQ為D點所產生的電荷量；dS為D點所表示區域的面積，ε31，ε32分別為PVDF薄膜的水平方向和垂直方向的應變分量，OB與OA的夾角為θ。

當單元D水平方向應力與平膜片徑向應力相等，且垂直方向上應力為0時，則有

dQ′=EPd31εrdS.

(2)

聯立式(1)、式(2)，有

(3)

當θ=10°，通過上式可以算出單元D的電荷量的比值為97.79 %。

結合上述計算和圓平膜片在直徑路徑方向上的徑向應變的分析可得出：PVDF的最佳粘貼位置是θ=10°，長度為100 mm，寬度為60 mm的矩形區域，PVDF具體形狀可以是該矩形，也可以是以矩形的寬為直徑的內切圓，為了便于粘貼和節省材料選用直徑為60 mm的圓形PVDF薄膜，其粘貼位置如圖2中小圓的位置。

4 調理電路

PVDF壓電薄膜將振動頻率的變化轉換為電荷量的變化后，需要將電荷的變化轉換成電壓的變化，電荷的整體轉換電路如圖3。

圖3 電荷轉換整體電路圖Fig 3 Charge transfer integral circuit diagram

電荷放大器的通頻帶通常高于實際的需要，這些無用的高頻頻帶的存在往往對低頻測試會帶來壞的影響，所以,在系統中設計低通濾波電路，如圖4。

圖4 低通濾波電路整體框圖Fig 4 Overall block diagram of low pass filtering circuit

圖4中,51單片機根據輸入信號的頻率控制模擬開關的切換，通過切換到不同的電阻和電容來改變截至頻率。圖4中二階低通濾波器有4個同步可編程轉折頻率， 有11檔轉折頻率。低頻濾波后再將電壓信號放大用于輸出。

5 實驗測試

利用信號發生器產生0～20 Hz的正弦激勵信號，經輸出功率為1 000 W的功率放大器放大后由大功率揚聲器產生次聲波，測試時將低通濾波器的截止頻率調至21 Hz，對每一個測試頻率進行10次測試，并記錄測試結果。結果見表1。

表1表明：前4次測試的結果均為0，這就說明了在有效測試距離內,當給定頻率小于0.2 Hz時，傳感器沒有響應，由此可以推斷，0.2 Hz為該傳感器的的下限頻率；在0～1 Hz和1～20 Hz之間大致呈直線，由此可見在量程范圍內，傳感器的線性度較好。

由表1可知，隨著測試頻率的增大，誤差會逐步減小。平均誤差為E=3.13 %。

6 結束語

本文設計了基于PVDF的振弦式次聲波傳感，該傳感器的結構設計使該傳感器能夠對次聲波進行全方位接收，其測量范圍可根據實際情況進行調節，從而提高了傳感器的靈敏度，避免測量不同頻率而使用同一量程所造成的靈敏度降低，對測試數據的分析結果表明該傳感器誤差小、精度高，具有極大的實用價值。

[1] 夏雅琴,崔曉艷,李均之，等.震前次聲波異常信號的研究[J].北京工業大學學報，2011(3)：463-469.

[2] 陳小燕.跟你聊聊次聲波[J].中學數理化，2011(8):54-55.

[3] 韓 冰,王 越,孟繁浩,等.基于PVDF壓電材料的壓力傳感器設計[J].吉林大學學報:理學版,2012(2)：333-336.

[4] 楊佰源,張義同.工程彈塑性力學[M].北京：機械工業出版社，2003.

表1 給定輸入頻率和實測輸出頻率的相對誤差Tab 1 Relative error of given input frequency and measured output frequency

[5] 吳振亭,崔 海.基于ANSYS技術的固支圓形膜片彈性特性分析[J].機械研究與應用,2006(2):47-54.

[6] 具典淑,周 智,歐進萍.PVDF壓電薄膜的應變傳感特性研究[J].功能材料,2004(4):450-456.

Design of vibration wire infrasonic wave sensor based on PVDF

LIU Hao-hua， WAN Zhou， YOU Xi-cun

(School of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650000,China)

Aiming at deficiencies of infrasonic wave sensor for infrasonic detection,at present,design a kind of vibration wire infrasonic wave sensor based on PVDF,establish mathematical model for vibration wire,elastic element and piezoelectric thin film,design conditioning circuit,test and verify the sensor.The results show that the sensor has the advantages of a full range of receiving infrasonic wave,adjustable range,high sensitivity,small error and so on.

PVDF； vibration wire； infrasonic wave sensor

2013—09—15

TP 216.1

A

1000—9787(2014)04—0093—02

劉豪華(1990-)，男，河南平頂山人，碩士研究生，主要研究方向為新型傳感器技術。