表面四電極含金屬芯壓電纖維的沖擊振動傳感特性研究

孫凱旋,張 弋,邊義祥,夏咸龍,吳志學

(揚州大學機械工程學院,江蘇 揚州 225127)

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表面四電極含金屬芯壓電纖維的沖擊振動傳感特性研究

孫凱旋,張 弋,邊義祥*,夏咸龍,吳志學

(揚州大學機械工程學院,江蘇 揚州 225127)

模仿昆蟲毛發(fā)感受器的結構和功能,設計制備了一種能測量外部振動的表面四電極含金屬芯壓電纖維(FMPF)沖擊振動傳感器。采用干壓成型法制備了含鉑金芯的壓電陶瓷纖維胚體,經(jīng)過高溫燒結、涂鍍表面電極、高溫極化后,制成FMPF傳感器。基于壓電方程和振動理論,建立了懸臂梁結構的FMPF沖擊振動傳感器的理論模型,分析了傳感信號與沖擊振動角度和幅值的關系。把FMPF固定在基體上,搭建了實驗系統(tǒng),測試了FMPF對沖擊振動的響應,驗證了理論模型。結果表明,FMPF的傳感信號和沖擊振動的幅值成線性關系,和方向成“8”字形關系。得出了FMPF傳感器能夠測量沖擊振動幅值和方向的結論。

壓電纖維;沖擊振動;傳感器;干壓成型法;表面電極

自然界中,動物擁有感知周圍環(huán)境,并做出相應反應的能力,這對動物的生存起到至關重要的作用。正是因為如此,很多昆蟲才能夠通過周圍氣流的變化感知天敵的位置和來犯方向,并能逃之夭夭[1]。它們感知系統(tǒng)的基本原理是相同的,其中蟋蟀是通過尾纖系統(tǒng)來感知周圍氣流變化的。蟋蟀的2根尾纖是從其腹部伸出,呈現(xiàn)懸臂梁結構,其夾角為60°左右。蟋蟀的尾纖上分布有許多長短不一的感覺毛。這種感覺毛的結構為1根光滑的直桿一端垂直立于尾纖表皮毛窩中,另一端自由,呈現(xiàn)懸臂梁結構。當有外部氣流流經(jīng)感覺毛時,纖毛會發(fā)生彎曲變形,刺激與底部相連的神經(jīng)細胞,神經(jīng)細胞就會產(chǎn)生神經(jīng)沖動,并沿神經(jīng)纖維傳遞給大腦,蟋蟀以此來感知和判斷周圍沖擊氣流的大小和方向,并由此做出相應的反應,比如逃避天敵的追捕、捕食獵物等。這些感覺毛的長度不等,直徑約從150 μm至750 μm[2],蟋蟀正是憑借這些數(shù)量眾多的、大小不同的感覺毛,感知沖擊氣流的幅值和方向[3-4]。

最近幾十年,一些研究者模仿蟋蟀毛發(fā)感受器的結構和功能,設計和制備了一些人工毛發(fā)傳感器,并將它們用于機器人、智能交通工具等來檢測基體的沖擊振動[5]。Droogendijk H等研究小組制備的電容式仿生毛發(fā)振動傳感器,其結構為:一根呈懸臂梁結構的桿和一個活動的微型電容器相連[6],當懸臂梁受到?jīng)_擊振動時,可以根據(jù)活動電容的變化量來判斷振幅的大小[7]。Liu Chang研究小組制備的壓阻式仿生毛發(fā)振動傳感器,用微電子機械系統(tǒng)技術制備的懸臂梁的根部和電阻應變片相連,通過惠斯通電橋測量電阻變化值,通過其電阻的變化值可以計算出懸臂梁的彎曲程度[8]。Dickinson B T等[9]和Francesco Rizzio等[10]也采用類似的結構制備了仿生毛發(fā)傳感器。

壓電材料具有直接的機電轉(zhuǎn)換性能,可以制成仿生纖維狀傳感器,檢測沖擊振動。早期的壓電纖維傳感器是將纖維狀的壓電陶瓷纖維做成復合材料,表面噴鍍電極后,用作振動傳感器。隨后,研究者又提出并制備了含金屬芯壓電陶瓷纖維MPF(Metal Core Piezoelectric Fibers)和半電極含金屬芯壓電陶瓷纖維HMPF(Half Coated Metal Core Piezoelectric Fiber)[11]。在MPF中,金屬芯位于纖維的中心位置,四周包裹著圓柱狀的壓電陶瓷,在壓電陶瓷的整個外表面涂鍍金屬層。實驗時金屬芯可以用作一個電極,而涂鍍在壓電陶瓷纖維表面的金屬層可以用作另一個電極,這樣單根MPF就可以用作傳感器,檢測長度方向的應變變化。當在纖維的一半縱向表面噴鍍金屬層時,可以得到半電極含金屬芯壓電陶瓷纖維HMPF。懸臂梁結構的HMPF可以作為沖擊振動傳感器,測量基體沖擊振動幅值的大小[12]。但是,無法同時測量沖擊振動的方向和幅值。

1 FMPF沖擊振動傳感器設計與制備

1.1 FMPF的結構設計與制備

FMPF的結構如圖1所示,細長圓柱狀的鉑金絲周圍均勻的包裹著壓電陶瓷,在壓電陶瓷的縱向均勻的涂鍍4片導電銀漿,用作表面電極。本文纖維采用干壓成型的方法制造。首先稱取適量的壓電陶瓷粉末和截取適量長度的鉑金絲,通過自制的磨具壓制成圓柱形壓電陶瓷纖維胚體,其中鉑金絲處在壓制好纖維的正中心;把壓制好的纖維放在溫度達到1 100 ℃的燒結爐中進行燒結1 h后關閉電源,隨爐冷卻到室溫后取出;最后在纖維的表面均勻的涂鍍4片電極。

圖1 FMPF的結構

經(jīng)過上面制備的FMPF還不具備壓電性,需要對其極化才具有壓電性,極化電路如圖2所示。極化時,中間的金屬芯作為負極使用,外部涂鍍導電銀膠的4片電極作為正極使用,把纖維浸入甲基硅油中進行極化。在溫度為100 ℃,外加1.5 kV電壓的恒溫油浴鍋中極化60 min后,隨甲基硅油緩慢冷卻至室溫。經(jīng)過極化之后的FMPF,有電極覆蓋的區(qū)域被極化而具有壓電性,而沒有被電極覆蓋的區(qū)域?qū)⒉槐粯O化,不具有壓電性。傳感電路如圖3所示,其中1和3組成一對對稱電極,2和4組成另一對對稱電極。

圖2 極化電路

圖3 傳感電路

2 FMPF振動傳感器理論模型

仿照昆蟲感覺毛的結構,把FMPF一端固定在基體上,另一端自由,使其呈現(xiàn)懸臂梁結構。當基體受到?jīng)_擊振動時,FMPF會產(chǎn)生相應的變形,根據(jù)變形量的不同就會產(chǎn)生不同的電信號,根據(jù)這種電信號可以判斷出基體受到的振動情況。因此FMPF可以用作振動傳感器,測量基體的振動,其振動理論模型如圖4所示。

圖4 FMPF固定在基體上

2.1 基于壓電方程的振動理論模型

基體受到?jīng)_擊振動時,其位移可以表示為u(t)=U0(1-e-τt)cosγ[13],則懸臂梁的受力可以等效為受到垂直于長度方向均布載荷F的作用,其大小為:

F=τ2U0e-τtcosγ

式中:U0為初始振幅;τ是時間常數(shù);γ為激振方向與截面中y軸的夾角,如圖5所示。

圖5 FMPF振動傳感器截面圖

由于壓電材料的壓電效應,在纖維的表面四片電極上將有電荷產(chǎn)生。FMPF中環(huán)形壓電陶瓷極化部分在圓柱坐標下的壓電方程可以表示為:

[S]=[sE][T]+[d]T[E]

(2)

[D]=[d][T]+[εT][E]

(3)

式中:S表示為應變;T是應力;D是電位移;E是電場強度;s是彈性柔順系數(shù);d是壓電常數(shù);ε是介電常數(shù)。

而此時懸臂梁結構的FMPF表面受到均布載荷F作用時,產(chǎn)生的彎矩M可以表示為:

(4)

為了簡化計算,此時認為FMPF在其直徑方向能自由伸縮,由于FMPF的長度一般是直徑的幾十倍,這種情況下其圓周方向和切向的應力可以忽略不計。因此在外加均布載荷后,FMPF的應變和電位移的邊界條件可以分別表示為:

Srr=Sθθ=Srθ=Sθz=Srz=0

(5)

Dθ=Dz=0

(6)

Er=0

(7)

把式(5)～式(7)分別代入到式(2)和式(3)中,得到:

(8)

由于FMPF的長度遠大于直徑,可認為彎曲時FMPF在軸向上各部分的曲率半徑相同,都為κ,可以表示為:

(9)

式中:E表示纖維的彈性模量;I表示纖維的慣性矩。

(10)

式中:Rc和Rm分別表示纖維和中間金屬芯的半徑。

而纖維在(Rc,θ)處的應變可以表示為:

(11)

將式(11)代入式(8)得電位移:

(12)

表面電極1上的電荷可以表示為:

(13)

表面電極2上的電荷為:

(14)

將式(11)代入(13)和(14)中,得:

(15)

(16)

再把式(1)代入式(15)和式(16)中,得到懸臂梁結構FMPF在沖擊振動作用下,表面電極1和表面電極2產(chǎn)生的電荷為:

(17)

(18)

當FMPF用作振動傳感器時,其信號采集電路連接方式如圖3傳感電路所示,電極 1 和電極3組成一路輸出信號電路,在這個電路中2個電極之間的電荷差設為Qa。電極2和電極4組成的輸出信號電路中,電荷差設為Qb,則:

Qa=Q1-Q3=2Q1=2Kcosγ

(19)

Qb=Q2-Q4=2Q2=2Ksinγ

(20)

從式(19)和式(20)中可以看出電路A和電路B測到的電荷差值分別為電極1和電極2上電荷的2倍。可以看出這種傳感電路連接方式簡化了采集電路,增加了傳感器的靈敏度。

電路A和電路B所測到的電荷差值即Qa和Qb之間的關系如下:

(21)

(22)

從式(17)、(18)可以看出,當懸臂梁結構的基體受到?jīng)_擊振動時,FMPF自身也將產(chǎn)生電荷響應,其電荷的大小Q和基體受到的沖擊強度U0成正比關系,和角度γ分別成余弦和正弦關系。從式(21)可以看出,兩電路輸出電荷比值與沖擊角度成余切的關系,通過反余切可以算出沖擊角度。從式(22)可以看,兩電路輸出電荷的平方值為一定值,不隨沖擊角度變化而變化。

圖6 沖擊振動實驗裝置

3 FMPF沖擊振動傳感器實驗

3.1 實驗平臺及實驗思路

為了驗證上面的理論分析結果和FMPF的沖擊振動傳感性能,我們將對其進行一系列的實驗驗證。首先,我們把纖維用環(huán)氧樹脂粘接在等強度梁的一端上,另一端自由狀態(tài),并用激光位移傳感器測量FMPF固定端的位移,其實驗裝置示意圖如圖6所示。沖擊振動實驗是通過小鋼球自由落在等強度梁另一端固定位置上,以此來實現(xiàn)對整個梁的沖擊振動激勵。FMPF受到這樣的沖擊振動時由于其壓電效應自身會產(chǎn)生一定的電荷,將產(chǎn)生的電荷信號經(jīng)過電荷放大器放大和激光位移傳感器測量的等強度梁的位移信號一起由數(shù)據(jù)采集卡實時采集至電腦,通過Labview和Origin對數(shù)據(jù)進行分析處理,最后得到結果來驗證我們上面推導出的理論分析結果。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 實驗前測試分析

當小鋼球從一定高度落下碰撞到等強度梁上時,等強度梁受到?jīng)_擊振動,會產(chǎn)生沖擊變形。同時,FMPF兩對電極輸出2路電信號,分為Qa和Qb,激光位移傳感器也輸出響應信號,如圖7所示。從圖7中可以看出,當沖擊信號作用在梁上時,激光位移傳感器輸出的響應信號在沖擊后短時間內(nèi)達到位移最大值,隨著梁會產(chǎn)生的自由振動而振動,并在外部阻尼的作用下,振動幅值即位移會越來越小,直至最后恢復到平衡位置。同時,FMPF傳感器也產(chǎn)生相應的響應信號,在短時間內(nèi)達到最大值(如圖0.843時產(chǎn)生的信號),然后震蕩逐漸變小,直至最后恢復到零。Qa、Qb和激光位移傳感器輸出的響應電信號在1.35 s～2.00 s之間有點區(qū)別是因為FMPF在這段時間內(nèi)受到周圍環(huán)境中氣流的激勵,產(chǎn)生微微的波動。這個氣流的激勵不足以使基體產(chǎn)生聲波動,所以激光位移傳感器在這段時間輸出的響應電信號沒有波動。故可以說FMPF傳感器產(chǎn)生的電荷信號和激光位移傳感器檢測到的梁的位移信號的變化趨勢基本一致。

圖7 FMPF沖擊振動的電荷完整響應信號

3.2.2 FMPF輸出電荷與鋼球的下落高度關系實驗研究

固定纖維的角度γ不變,即保持纖維固定不動,改變鋼球的下落高度,即改變式(17)、式(18)中的U0值,采集每次沖擊中梁的最大位移值和FMPF輸出的最大正電荷值,并在圖8中畫出。從圖8可以看出隨著固定端位移幅度的增大,FMPF的輸出電荷也逐漸增大。FMPF的輸出電荷和梁的位移信號基本成線性關系,這也驗證了式(17)和式(18)中電荷Q和幅值U0的線性關系。

圖8 FMPF電荷信號和鋼球下落高度的關系

3.2.3 FMPF輸出電荷與FMPF轉(zhuǎn)動角度關系實驗研究

每次沖擊時保持鋼球落下時的高度和位置不變,只改變纖維的角度γ,即轉(zhuǎn)動纖維,則FMPF的最大輸出電荷也隨之改變。γ值每次改變30°,記錄每次沖擊后FMPF的兩對電極最大輸出電荷值,分別記為Qa、Qb。在直角坐標系下做出如圖9、圖10所示的結果圖。其中,橫坐標為沖擊角度,縱坐標為輸出電荷值。可以看出,兩對電極輸出電荷Q和角度γ分別呈余弦和正弦的關系,從而驗證了式(19)、式(20)。

圖9 Qa與沖擊角度關系

圖10 Qb與沖擊角度關系

同樣,由實驗數(shù)據(jù)可知隨著角度γ值的改變,FMPF輸出的最大電荷值也是隨著有規(guī)律的改變。在極坐標系下,畫出Qa、Qb與γ的關系,如圖11所示。電荷Qa和角度γ是呈現(xiàn)鉛錘的“8”字圖,而Qb是呈現(xiàn)水平 的“8”字圖。可以看出改變FMPF的角度時,兩對電極輸出的電荷都是在變化的,說明我們制作的傳感器具有測量基體方向的能力。

圖11 在極坐標系下FMPF電荷信號與夾角γ的關系

上面得到是電荷Qa、Qb和角度γ之間的關系,而Qa、Qb之間的關系同樣也可以在圖形中表示出來。將Qa、Qb的比值作為縱坐標,轉(zhuǎn)動角度γ作為橫坐標,如圖12所示,從圖12可以看出Qa和Qb比值呈現(xiàn)余切函數(shù)關系,這也驗證了式(21)的結論。將電荷Qa的值作為橫坐標,電荷Qb的值作為縱坐標,得到Qa和Qb之間的關系如圖13所示,從圖13可以看出,隨著角度的變化,每次測量的電荷值都基本落在一個圓上,這也正好和式(22)得出的結論相吻合,這種現(xiàn)象說明只要沖擊的高度不發(fā)生改變,Qa和Qb的平方和為一個定值,是不隨角度變化而變化的,驗證了式(22)的結論。

圖13 Qa和Qb的關系

圖12 Qa和Qb的比值關系

將FMPF用作沖擊振動傳感器時,根據(jù)傳感器輸出的2路傳感信號,從圖8可以看出,FMPF可以測量沖擊振動的幅值。從圖9、圖10可以看出,可以測量沖擊振動的角度。由此可以得出單根FMPF傳感器可以同時測量沖擊振動的幅值和角度的結論。

4 結論

本文利用制備的FMPF沖擊振動傳感器,測量外部沖擊振動,采用理論與實驗相結合的方法,驗證實驗結果的準確性。基于壓電方程,建立了FMPF沖擊振動傳感器的振動傳感理論模型,即單根FMPF傳感器能夠同時測量沖擊振動的幅值和角度。通過實驗分析驗證了振動傳感理論模型,并得出了傳感信號與激勵信號幅值和沖擊振動方向的關系。該項研究為沖擊振動傳感器的設計、制備提出了一種新的方法,具有很強的實用性,可以廣泛的應用在受到?jīng)_擊振動的場合。后續(xù),我們還可利用這種傳感器的振動傳感理論模型,測量六維加速度信號。

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Vibration Sensing Properties of a Metal Core Piezoelectric Fiber with Four Electrodes on the Surface

SUN Kaixuan,ZHANG Yi,BIAN Yixiang*,XIA Xianlong,WU Zhixue

(College of Mechanical Engineering,YangZhou University,Yangzhou Jiangsu 225127,China)

The four electrode metal core piezoelectric fibers(FMPF)impact vibration sensor that can perceive a vibration perception of the external surface is made through imitating the structure and function of insect’s hair sensilla. Piezoelectric ceramic fiber embryo containing platinum core was prepared by using dry pressing method and was treated by high temperature sintering,coating the surface of electrode polarization,high temperature polarization,then FMPF impact vibration sensor is made.The theoretical model of the FMPF impact vibration sensor of the cantilever beam is established and the relationship between the sensing signal and the angle and amplitude of the shock vibration is analyzed based on the piezoelectric equations and vibration theory. The FMPF is fixed on the substrate,and the experimental system is built,and the response of FMPF to the impact vibration is tested,and the theoretical model is verified. The results show that the amplitude of the sensing signal and the shock vibration of FMPF is linear,and the direction of the“8”-shaped relationship. The conclusion is drawn that the FMPF sensor can measure the magnitude and direction of the shock vibration.

piezoelectric fiber;impact vibration;sensor;dry pressing method;surface electrode

孫凱旋(1991-), 男,江蘇徐州人,碩士,現(xiàn)主要從事智能傳感器、驅(qū)動器方面的研究,1625052284@qq.com;

邊義祥(1973-),男,江蘇沐陽人,博士、副教授,現(xiàn)主要從事生物感覺毛、人體前庭平衡器官的感知機理和仿生傳感器方面的研究,yxbian@yzu.edu.cn。

項目來源:國家自然科學基金項目(51275447);江蘇省研究生實踐創(chuàng)新計劃項目(SJLX16_0589)

2016-11-30 修改日期:2017-01-20

TM282A

A

1004-1699(2017)06-0841-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.007