PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器水下傳感特性研究

郭成東，陳宇航，曹鑫林，吳志學，邊義祥

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

自然界中，許多動物擁有感知周邊環境并做出反應的能力，這對動物的生存起著至關重要的作用。昆蟲通過周圍氣流的變化感知天敵的位置[1]。老鼠通過觸須感知氣流的變化判斷危險[2]。貓利用貓須感知周圍環境，尋找獵物[3]。魚類需要感知系統(側線系統)躲避天敵和捕食一些水中的小蟲子，通過側線系統感知水下物體的運動，從而達到追蹤和躲避的效果[4-5]。兩棲動物海豹利用胡須對水下情況進行感知，以便鎖定魚群的位置，以及躲避鯊魚和虎鯨的追捕[6]。其感知系統的原理類似。受上述動物的啟發，2002年制備了第一個硅基懸臂梁的流速傳感器后[7]，各種傳感機制被應用到研究中，包括壓阻式、電容式及壓電式等[8-9]。隨著水下航行器、水下機器人的微型化和柔性化，水下傳感器也逐漸向柔性、高靈敏性發展。文獻[10]開始用聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電纖維開發了壓電式柔性流速傳感器，但靈敏度不高，且無方向性。2019年，蔣永剛等[11]仿魚類側線開發了基于壓電薄膜的水動力仿生柔性側線傳感器。與其他材料相比，PVDF更具有優良的壓電性和柔性[12-14]，是一種優良的傳感器材料。因此，本文仿造海豹觸須的結構設計制備了以PVDF為材料的表面四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器，以PVDF壓電纖維表面的壓電效應產生電荷為基礎[15]。實驗分析了此傳感器對水下激勵的響應，通過激振源產生不同激勵的信號和此傳感器輸出的信號進行對比，可得此傳感器的性能。

1 表面四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器的制備

將PVDF顆粒在200 ℃條件下加熱至熔融狀態，讓其覆蓋在金屬纖維表面，形成一層PVDF包覆層，在空氣中完全冷卻后可得到一段含金屬芯的PVDF壓電纖維，其中金屬絲剛好處在壓制好的纖維中心[16]，在受到外力作用下，PVDF纖維表面電荷密度產生變化，所以需在表面涂上導電銀漆收集電荷，并以電信號的方式輸出。

經過上述制備過程后，需對壓電纖維進行極化使其具備壓電性，在PVDF壓電纖維表面均勻涂上4片電極，如圖1所示。極化時金屬芯作為負極，4片電極作為正極，把壓電纖維放入150 ℃、外加電壓0.5 kV、裝有硅油的油溫箱中極化45 min，待冷卻至室溫時取出。經極化處理后，壓電纖維的電極覆蓋區域具有壓電性，而未被4片電極覆蓋的區域不具有壓電性，即制備出表面涂導電銀漆部分帶電、未涂導電銀漆部分不帶電的四電極PVDF壓電纖維。

圖1 四電極PVDF壓電纖維

圖2為海豹觸須的剖面圖結構[17]。纖毛發生變形后刺激底部的神經細胞產生神經沖動，然后傳遞給大腦，海豹由此判斷水中物體的運動和方向。本文仿造海豹觸須結構，設計制備了一個基于PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器。將上述處理好的PVDF壓電纖維抽去金屬芯，裁剪至合適大小，抽去金屬芯部分用類似動物觸須的光纖代替(見圖3)，經測試，光纖與動物的觸須相似度較高，這使傳感器具備更好的柔性。本文對傳感器在水下的感知性能進行測試，考慮到壓電纖維表面的導電漆，所以需要在纖維表面覆蓋一層軟膠防水，為避免導線與水接觸，導線引出部分需用軟管粘連。傳感器下方的可調角度旋轉基座可調整傳感器的角度，用于方向性實驗，從而制備出可在水下進行實驗測試的四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器(見圖4)。

圖2 海豹觸須的剖面圖結構

圖3 抽去金屬芯的PVDF壓電纖維

圖4 四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器

2 表面四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器傳感原理

水生動物胡須由柔軟的毛組織構成，當受到刺激時毛組織會發生變形。仿照海豹胡須的結構，一段固定在基體上，一端自由，當受到激勵時，傳感器中的光纖部分發生變形，帶動壓電纖維部分發生變形，傳感器受到激勵時的截面圖如圖5所示。激勵信號不同，產生的電信號不同，根據電信號可測試該傳感器的性能。

圖5 傳感器截面圖

當傳感器壓電纖維部分發生變形時，計算電極上產生的電荷使用第一類壓電方程[18]，將邊界條件代入方程后，PVDF層中電位移Dr可表示為

(1)

(2)

(3)

式中：l為PVDF壓電纖維的長度；α為表面電極的包角；M(x) 為沿長度方向的彎矩；E為彈性模量；I為慣性矩；RC為表面電極的半徑；x為長度方向；θ為中心角。

作為傳感器使用時共有4片電極，電極1、3和電極2、4各為一組輸出電路，因其是對稱的，所以產生的電荷相等且相反。為了方便表述，設電極1、3間的電荷差為Qa，設電極2、4間的電荷差為Qb，則：

Qa=Q1-Q3=2Q1

(4)

Qb=Q2-Q4=2Q2

(5)

3 表面四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器水下傳感性能實驗

3.1 對不同激勵信號的感知

在充滿了水的水池(1.2 m×1 m×0.4 m)中進行不同激勵信號下的感知實驗，激振器和激光位移傳感器通過鋼架固定在水池上方，激振器的激振頭部分和制備完成的傳感器完全浸在水中，實驗裝置圖如圖6所示。在激振器的正下方安裝10 mm的振動圓球，產生流體動力刺激，激振器施加正弦、三角、沖擊和方波振動位移，激振器的頻率為1 Hz,振幅為2 mm,將產生的電荷信號經過電荷放大器放大后與激光位移器測得自由端位移信號一起由數據采集卡實時采集到電腦上，通過Labview和Origin對數據進行處理。兩組電極受到正弦、三角、沖擊和方波激勵后，輸出的電荷信號和激光位移測得自由端位移信號如圖7所示。

圖6 實驗系統的照片

圖7 輸出電荷信號和激光位移測得自由端位移信號

由圖7可知，用不同波形進行激勵時，因為激振源的運動方向和1、3組電極垂直，故在一次激勵作用下，1、3組電極比2、4組電極輸出電荷大。用正弦、三角、沖擊和方波激勵呈現出相同的規律，在不改變頻率和幅值的情況下，不同波形輸出的電荷信號基本相同，兩組電極輸出的電荷信號和激振器輸出波形形狀一致，由此可知，此傳感器可實現對水下不同激勵信號的感知。

3.2 對不同速度的響應

圖8為實驗裝置示意圖。圖中，激振源的頻率和幅值都可調節。本實驗中，激振源的頻率為2 Hz,振幅為1 mm。實驗開始時，傳感器的輸出信號由電荷放大器放大，信號可由濾波器進行過濾，之后通過數據采集卡進行收集，最后由origin處理得到傳感器的輸出電荷，利用處理后的輸出電荷峰值進行統計計算，傳感器位于激振源的正下方，激振源的振動方向與傳感器的立柱垂直，通過改變激振源中心與傳感器柱體之間的距離來調整流速，傳感器檢測流速為

圖8 實驗裝置示意圖

(6)

式中：f為激振源的振動頻率；a為激振源圓球的直徑；s為振幅；D為激振源中心圓球距離傳感器支柱的距離。

如圖9所示，當D發生變化，相應的速度分別為94.2 mm/s、56.5 mm/s、6.4 mm/s時，傳感器的兩組電極輸出信號發生變化，1、3組電極因為與激振源振動方向垂直，所以比2、4組電極輸出的電荷信號大。圖10為電荷輸出和速度的關系。圖中，電荷輸出幅值是一組電極輸出最大和最小電荷的差值，且隨著流速的增加而增加，此傳感器的靈敏度為0.06 pC/(mm·s-1)，量程為0.15～98.7 mm/s，速度檢測極限可達0.15 mm/s，與其他此類傳感器相比，速度檢測極限提升較多。

圖9 兩組電極在不同流速時的電荷輸出

圖10 兩組電極電荷輸出與流速的關系

3.3 對水下運動物體方向的感知

在水下對此傳感器的方向性進行測試，傳感器的底部安裝了一個可變角度的圓盤，實驗時，激振源的位置不發生變化，從0°開始轉動圓盤，每次變化10°，遞增到360°，輸出信號顯示為“8”字形，如圖11所示。由圖可看出，改變角度γ時，兩組電極的輸出電荷幅值都發生變化，其中0°和180°是傳感器1、3組電極與激振器振動的方向。由圖11(a)可看出， 0°和180°輸出電荷幅值最大。由圖11(b)可看出，2、4組電極在0°和180°處輸出電荷幅值最小。相反，在90°和270°時，1、3組電極輸出電荷最小，而2、4組電極輸出電荷幅值最大。因為1、3組電極與激振器振動的方向平行，而2、4組電極與激振器振動的方向垂直。由圖11還可看出,一組電極中對稱的角度受到激勵后輸出電荷幅值是不同的，其原因可能是在劃分4片電極時，對稱的兩片電極的角度不能達到完全一致；另外裝置結構可能導致輸出電荷有差異。該傳感器為方向檢測提供了可能性。

圖11 兩組電極方向性檢測結果

4 結束語

本文以水生動物的觸須為靈感，設計和制備了表面四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器，主要介紹了表面四電極PVDF壓電纖維柔性的制備過程，以及基于壓電方程建立了表面四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器傳感理論模型，壓電纖維變形引起了輸出電荷的變化。主要研究了傳感器對水下情況的感知性能(包括對不同激勵信號感知、水動力感知及方向性感知)。用激振器輸出正弦、三角、沖擊和方波信號在水下固定位置進行激勵，測試制備的傳感器對水下不同信號的感知性能，經測試此傳感器具備對水下不同激勵的準確感知。在對水動力感知性能中，改變激振源到傳感器的距離調整流速，計算出傳感器檢測到的流速大小，此傳感器的靈敏度為0.06 pC/(mm·s-1)，量程為0.15～98.7 mm/s，可檢測的速度檢測極限是0.15 mm/s，與其他檢測流速的傳感器相比，靈敏度較高，檢測極限較小。在一固定點處激勵，改變傳感器角度后，傳感器的兩組電極輸出的電荷和角度呈現“8”字型，說明制備的傳感器具有良好的方向感知能力。