一種仿生感覺毛氣流傳感器*

邊義祥,張 弋,何 燦,孫凱旋,劉榕榕

(揚州大學機械工程學院,江蘇 揚州 225127)

一種仿生感覺毛氣流傳感器*

邊義祥*,張 弋,何 燦,孫凱旋,劉榕榕

(揚州大學機械工程學院,江蘇 揚州 225127)

模仿昆蟲感覺毛的結構,設計制備了表面對稱電極含金屬芯PVDF氣流傳感器SMPF(Symmetric Metal core PVDF Fiber)。利用自制的拉制纖維設備,制備了SMPF胚體。在表面涂鍍對稱電極后,經過高溫極化、電極封裝等工藝后,成功制備了SMPF氣流傳感器。基于第1類壓電方程和流體力學理論,建立了懸臂梁結構的SMPF氣流傳感模型,分析了傳感器輸出信號與纖維長度、氣流速度以及氣流作用方向之間的關系。將懸臂梁結構的SMPF安置在氣流流場中,進行沖擊氣流測試實驗。實驗結果表明,SMPF氣流傳感器的輸出信號與纖維長度成非線性關系,與氣流速度成平方關系,與氣流作用方向成“8”字形關系。實驗結果驗證了理論模型,表明SMPF傳感器能夠感知氣流的速度和作用方向,具有較廣泛的工程應用前景。

氣流傳感器;仿生傳感器;壓電方程;PVDF纖維;表面對稱電極

在自然界中,雄性蚊子通過觸角及其上密布的纖毛,感知周圍的氣流,進而判斷周圍雌性蚊子的方位,進行求偶活動[1];蟋蟀通過尾纖上密布的纖毛感知周圍氣流的流動方向和速度,從而判斷捕食者的方位,躲避天敵[2-4];魚類通過側線系統感知周圍水流變化,辨別食物方位,躲避捕食者[5-6];水黽通過四肢上的毛發感受器感知水面波紋的變化,通過水面波紋傳遞的信息確定水面物體的具體方位,進行捕食[7]。上述這些生物都是通過生長于體表的毛發感受器,感知周圍的氣流或水流運動情況。這類毛發感受器均為懸臂梁結構,即一根長長的纖毛連接在它們的感覺神經細胞上,另一端懸空呈自由狀。當有外部激勵作用在這些纖毛上時,纖毛會產生彎曲或振動變形,進而作用在它們的神經細胞上,產生神經沖動,沿著神經纖維傳遞給它們的大腦,大腦通過對不同的神經信號進行分析和判斷,產生相應的應激反應[8]。

受到動物感覺毛感知機理的啟發,一些研究者設計制備了仿生毛發傳感器,用來感知周圍流場的變化。目前,大部分仿生人工毛發傳感器主要是基于蟋蟀尾纖結構的仿生,即采用懸臂梁結構,一端固定于基體、并與其垂直,另一端呈自由狀。仿生人工毛發傳感器,按照傳感原理可以分為3種形式,分別為電容式、壓阻式和壓電式[9]。電容式傳感器中的懸臂梁根部與一個微型活動電容相連,當懸臂梁在外部激勵作用下產生傾轉時,將改變活動電容值,通過測量活動電容值的改變量,可以計算出懸臂梁受到的激勵[10]。壓阻式傳感器的結構和電容式類似,一根懸臂梁的根部和壓阻元件相連,通過測量壓阻元件阻值的變化,計算出懸臂梁受到的激勵[11]。

壓電材料具有直接的機電轉換性能,做成懸臂梁結構時,通過測量響應電荷值,可以直接計算出懸臂梁受到的外部激勵。壓電式仿生毛發傳感器一般為圓形截面,分為含芯和不含芯兩種形式。我們在前期的工作中,主要采用壓電陶瓷材料制備含金屬芯壓電纖維,并在纖維的表面涂鍍全部電極、部分電極、2片對稱電極、4片對稱電極等,用作動態微力傳感器或氣流傳感器[12-13]。但是,由于壓電陶瓷是脆性材料,這種類型的仿生毛發傳感器在大的載荷或長期的低頻激勵作用時,容易損壞,失去傳感能力。

為了克服壓電陶瓷纖維的缺點,在前期工作的基礎上,本文采用自制的拉伸設備,制備了PVDF纖維胚體,并在纖維的縱向表面涂鍍一定長度、形狀完全對稱的導電層,制備了含金屬芯PVDF仿生毛發傳感器,用于風洞的氣流測量。

圖1 SMPF的結構

1 傳感器設計與制備

傳感器的結構如圖1所示,一根金屬絲位于SMPF的中心位置,外面包裹著厚度均勻的PVDF層,在纖維的縱向表面,涂鍍一定長度、形狀完全對稱的兩片導電膠層。纖維的制備過程為:首先稱取適量的PVDF顆粒,經過脫水處理后,放入自制設備的料斗中,加熱至180 ℃,呈現熔融狀態;PVDF從料斗的小孔中和金屬絲一起被擠壓出來,制成SMPF胚體。在SMPF胚體的制備過程中,當熔融狀的PVDF被擠出小孔,經過空氣冷卻后,迅速轉化成固體狀態,并繼續被前方已凝結成固態的PVDF層拉伸至穩定狀態,在此機械拉伸過程中,一部分β相轉化成α相,增加了PVDF層的壓電常數,增加了傳感器的靈敏度。

在SMPF胚體的縱向表面,涂鍍上形狀完全對稱的導電銀漿后,放入90 ℃的硅油中進行極化,極化電路如圖2(a)所示,中間金屬絲用作一個電極,表面2片導電層連接成另一個電極。極化30 min后,隨著硅油冷卻至室溫,取出洗凈后,將表面兩片導電層分別接出,就可以用作SMPF仿生毛發傳感器了。纖維中經過極化的PVDF層,表面沒有被電極覆蓋的區域認為沒有被極化,不具有壓電性;表面有電極覆蓋的區域被極化,具有壓電性,極化方向為徑向,如圖2所示。傳感電路如圖2(b)所示。

圖2 電路圖

2 氣流傳感理論模型

仿照昆蟲感覺毛的結構,將懸臂梁結構的SMPF放置于流場中,測量氣流的大小和方向,其結構如圖3所示。圖3中l0為涂鍍電極的長度,L為SMPF的長度。

圖3 SMPF傳感器模型

當SMPF受到氣流沖擊作用時,作用在SMPF表面的力可以等效為均布載荷,表示為:

(1)

式中:FD為SMPF單位長度上的載荷,U0為氣流速度;R是SMPF的截面半徑;ρair為空氣的質量密度,在室溫條件下,一般取1.21×103g/m3;CD為阻尼系數,具體數值和氣流速度有關。在均布載荷作用下,SMPF的彎矩表示為:

(2)

式中:L為纖維總長;z為沿纖維長度方向坐標。

本文采用第1類壓電方程建立傳感器的理論模型,表達式為:

(3)

(4)

為了計算和公式的推導方便,本文使用圓柱坐標系建立模型的坐標系,其中z方向、θ方向和r方向分別對應壓電方程中的1方向、2方向和3方向。由于SMPF的長度遠大于直徑(直徑為0.3 mm,長度為30 mm左右),所以圓周方向與切向的應力可以忽略,即SMPF只有軸向(z方向)有應變,其余方向的應變均為0,而且SMPF在長度方向上可以自由伸縮。由此得到懸臂梁結構SMPF的應力和電場的邊界條件為:

Srr=Sθθ=Srθ=Sθz=Srz=0

(5)

Dθ=Dz=0

(6)

Er=0

(7)

式中:θ為SMPF周向;r為SMPF徑向;z為SMPF長度方向。

將式(5)～式(7)代入到式(3)和式(4)中,可以得到SMPF的電位移:

(8)

由于SMPF的長度遠大于它的半徑,所以當SMPF產生較小的彎曲變形時,可以認為各部分的曲率半徑都相同,設為ρ,則:

(9)

式中:E表示整個纖維的彈性模量;I表示整個纖維的慣性矩;EI為纖維的抗彎剛度。

由此,得到SMPF表面電極R、θ處的應變為:

(10)

把式(10)代入式(8)得電位移:

(11)

SMPF纖維橫截面上一片電極的表面電荷可以表示為:

(12)

式中:α為表面電極的覆蓋角度。

把式(11)代入式(12),積分后可以得到:

(13)

因為氣流吹來的方向與y軸成夾角γ(如圖3(b)所示),考慮角度的影響,再將式(1)代入到式(13)中,可以得到:

(14)

式中:Q為在氣流U0作用下,SMPF表面1片電極上產生的電荷值。由于SMPF的結構,兩片表面電極都是完全對稱布置的,因此,在另一片表面電極上,將產生極性相反,幅值相同的電荷。將這兩片電極按照圖2(b)所示的連接方式接入到傳感電路中,則SMPF傳感器的輸出信號是Q的2倍。

從式(14)可以看出,在SMPF的基本尺寸(R、l0)、參數(EI)確定的情況下,并忽略阻尼系數的變化,傳感器的輸出電荷與SMPF的長度L成線性遞增關系,與氣流速度U0平方成線性遞增的關系,與氣流的作用角度γ成余弦關系。

3 氣流沖擊傳感實驗

3.1 實驗平臺搭建

為了驗證理論分析的正確性,本文設計了氣流沖擊傳感實驗,實驗裝置如圖4所示。主要有微型風洞測試儀、三杯式風速傳感器、直流電源、電荷放大器、SPMF、工控機。實驗時,把SMPF和三杯式風速傳感器并排地放置在微型風洞測試儀中。SMPF輸出的電信號先通過導線傳輸到電荷放大器中,經電荷放大器放大后,通過數據采集卡輸入到工控機中。三杯式風速傳感器輸出的電信號,直接通過數據采集卡采集輸入到工控機中。兩組數據分別通過工控機中的Labview和Origin軟件處理和分析。對數據進行帶阻濾波(40 Hz～3 000 Hz)處理,進而得到最終的實驗數據。

圖4 實驗裝置

3.2 實驗結果和結論分析

3.2.1 實驗結果

實驗過程中,首先將調節微型風洞的風速。風速穩定后,突然打開風洞的門,沖擊氣流沖擊SMPF,使SMPF產生電荷信號,通過電荷放大器,轉換成電壓信號后,經過數據采集卡,輸入到電腦中的Labview程序中。同時,將三杯式風速傳感器的輸出信號也經過數據采集卡,輸入電腦中。圖5是一次氣流沖擊過程中SMPF和三杯式風速傳感器的完整輸出信號。

圖5 一次氣流沖擊下,SMPF和風速傳感器的輸出信號

從圖5可以看出,沖擊氣流同時作用在SMPF和三杯式風速傳感器時,二者開始響應的開始時間不同。SMPF在2.652 s時,產生電荷信號,隨后迅速增大到最大值后,又快速降低并逐漸趨于穩定狀態。SMPF的感知過程是由壓電材料的特性決定的,因此,壓電類的傳感器只能感知變化的激勵信號。在本文的實驗過程中,取每次沖擊氣流作用過程中,SMPF產生的電荷信號的峰值,作為氣流傳感信號。三杯式風速傳感器在3.923 s時產生電信號,之后逐漸增大,在17.09 s后趨于穩定。產生這個時間差的主要原因是本文制備的SMPF具有直接的機電轉換性能,而三杯式風速傳感器自身存在的一些機械性能缺陷而導致的。在實驗過程中,風速傳感主要起到校準風速大小和對比的作用。

3.2.2 氣流速度和傳感信號的關系

為了測試SMPF對于氣流速度的傳感性能,選取長度為30 mm的SMPF進行氣流傳感實驗,其中表面電極長度l0為1 mm,保持不變。每一組實驗中,保持SMPF的長度不變,逐漸增大氣流速度,每次增大1 m/s,氣流速度分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s、10 m/s。每做完一組實驗后,將SMPF的長度L剪短,重新進行下一組實驗。實驗共進行了6組,其中SMPF的長度L依次為30 mm,25 mm,20 mm,15 mm,10 mm,5 mm。將實驗結果以氣流速度為橫坐標,以SMPF的輸出電荷,即傳感信號為縱坐標,得出如圖6所示的實驗規律。

圖6 相同長度條件下,SMPF輸出信號和沖擊氣流速度關系

從圖6可以看出,在長度不變的條件下,SMPF輸出的電荷值(傳感信號),隨著氣流速度的增加呈非線性遞增的關系,這和式(14)中的結論相符,即Q值和氣流速度U0的平方大約成線性關系。Q值和氣流速度U0的平方之所以不是非常嚴格的線性關系,是由于阻尼系數CD的值隨著氣流速度U0的變化,呈現出非嚴格單調的變化關系,影響了Q值的變化。對不同長度的SMPF進行相同的實驗,都可以得出同樣的規律。

圖7 SMPF輸出信號的線性化

由圖7可見,此時,傳感器的輸出-輸入為線性關系,其中的理論輸出采用最小二乘法擬合直線,由Origin軟件自動完成。傳感器的線性度、靈敏度、分辨率、重復性誤差如表1所示。其中,傳感器的線性度、靈敏度由圖7經過計算得到,分辨率、重復性誤差由圖5所示的多次實驗結果得到。

表1 SMPF氣流傳感器特性

3.2.3 SMPF長度和傳感信號關系實驗

為了測試SMPF長度L對傳感信號的影響,選取長度為30 mm的SMPF進行實驗,實驗分為8組進行。每一組實驗中,控制氣流沖擊速度大小不變,依次剪短SMPF,每次剪短5 mm,即本實驗使用SMPF的長度依次為30 mm、25 mm、20 mm、15 mm、10 mm、5 mm。每做完一組實驗,調節氣流的速度進行下一組實驗,氣流的速度從3 m/s,以1 m/s的幅度逐漸增加到10 m/s。同樣取每一次實驗中SMPF產生的電荷信號峰值作為傳感器信號,8組實驗的結果如圖8所示。

從圖8可以看出在相同速度的氣流沖擊條件下,SMPF輸出的電荷值都是隨著SMPF長度的增加而呈現非線性遞增關系。在不同速度的氣流作用下,都可以得出同樣的規律。同時從圖8還可以看出,隨著氣流速度的增大,SMPF輸出的信號也增大。實驗結果驗證了式(14)的理論模型。

圖8 相同氣流沖擊條件下,SMPF輸出信號和自身長度關系

3.2.4 SMPF的方向性傳感實驗

在上面的實驗系統之上,進行SMPF的方向性傳感實驗。每次實驗中氣流的速度都為5 m/s。每次實驗開始時,旋轉SMPF的角度,以改變氣流的作用角度γ,旋轉幅度為15°/次。對采集到的實驗數據進行分析、處理,做出SMPF輸出信號和角度γ的關系圖,如圖9所示,橫坐標為SMPF轉動的角度,縱坐標為SMPF在不同氣流沖擊角度下輸出的電荷值。從圖中可以很好地看出,隨著SMPF轉動角度的變化,SMPF輸出的電荷值Q與轉動角度γ呈余弦的變化關系。實驗數據與理論分析數據相吻合,驗證式(14)的正確性,故SMPF可以判斷沖擊氣流的沖擊方向。

圖9 MPF輸出信號和氣流角度γ的關系

同樣,在極坐標下對實驗數據進行處理,得出如圖10所示的“8”字圖。從圖10可以看出,在不同的角度下SMPF輸出的電荷值是不同的,即SMPF輸出的電荷值是隨著角度的轉動而變化的。

圖10 極坐標下,SMPF輸出信號和氣流角度γ的關系

4 結論

本文將設計制備的SMPF用作氣流傳感器,感知沖擊氣流的速度和方向。首先,采用擠壓拉伸的方法制備了纖維胚體,經過涂鍍表面電極、極化、電極封裝等工藝后,成功制備了SMPF傳感器。采用第1類壓電方程和材料力學理論,建立的懸臂梁結構SMPF氣流傳感器的理論模型。搭建了實驗系統,測試了SMPF的氣流傳感器性能。結果表明,SMPF傳感信號和氣流速度成平方關系,和纖維長度成非線性遞增關系,和氣流作用角度成余弦關系。實驗結果驗證了理論模型。本文設計制備的SMPF氣流傳感器有著較為廣泛的工程應用前景,有望應用于空間狹窄、要求傳感器體積較小,并能大規模布置的工程領域。

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邊義祥(1973-),男,漢族,揚州大學機械工程學院副教授,博士,研究方向為仿生傳感器、生物感知機理,yxbian@yzu.edu.cn;

張弋(1989-),男,漢族,揚州大學碩士研究生,研究方向為仿生傳感器,540983993@qq.com。

ABionicSensoryHairforAirflowSensor*

BIANYixiang*,ZHANGYi,HECan,SUNKaixuan,LIURongrong

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

Imitation of insect hair senses the structure of hair,a symmetric-electrodes metal core PVDF fiber(SMPF)airflow sensor was designed and fabricated. A SMPF embryo was successfully prepared using self-made drawn fiber equipment. After coated symmetrical electrodes on the surface,high temperature polarization,electrode packaging and other processes,a SMPF air flow sensor was successful fabricated. Based on the first type of piezoelectric equation and fluid mechanics theory,the SMPF airflow sensor model of cantilever structure is established. The SMPF of the cantilever structure is placed in the air flow field and the impact airflow test is carried out. The experimental results show that the output signal of SMPF air flow sensor has a nonlinear relationship with the fiber length,which is in square relationship with the velocity of air flow and the“8”shape relationship with the direction of airflow. The experimental results verify the theoretical model. It is shown that the SMPF sensor can sense the speed and direction of the airflow and has a wide range of engineering application prospects.

airflow sensor;bionic sensor;piezoelectric equations;PVDF fiber;surface symmetrical electrodes

TM282

A

1004-1699(2017)11-1647-06

項目來源:國家自然科學基金項目(51275447,51775483);江蘇省研究生實踐創新計劃項目(SJLX16_0589)

2017-04-24修改日期2017-08-15

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.006