劉 廷，吳曉軍，趙河明

(中北大學機電工程學院，山西太原 030000)

0 引言

隨著微機電系統(micro electro mechanical systems，MEMS)的不斷發(fā)展，迫切需要高精度、高靈敏度的感知傳感器。本文設計的微力傳感器采用一種新型的壓電材料PVDF，PVDF壓電膜是一種新型高分子壓電換能材料，它具有獨特的介電效應、壓電效應、熱電效應。與傳統的壓電材料(如陶瓷)相比具有頻響寬、動態(tài)范圍大、力電轉換靈敏度高、機械性能強度高、聲阻抗易匹配等特點，并具有質量輕、柔軟不脆、耐沖擊、不易受水和化學藥品的污染、易制成任意形狀的面積不等的片或管狀等優(yōu)勢。在力學、聲學、光學、電子、測量、紅外、安全報警、醫(yī)療保健、軍事、交通、信息工程、辦公自動化、海洋開發(fā)、地質勘探等技術領域應用十分廣泛。壓電式傳感器具有低功耗、靈敏度高等特點，但是與傳統的壓阻式傳感器比起來，其尚處于發(fā)展初期。本文基于PVDF的壓電效應，設計了一款具有高精度、高靈敏度的微力傳感器。壓電效應是Jacques Curie和Pierre Curie在1880年發(fā)現[1]的，幾十年來人們對壓電材料的應用研究一直沒有停止過。目前懸臂梁最頻繁地應用在微力感知機構中[2]，這是因為探測極小的位移時，懸臂梁是最理想的裝置[3]。2002年香港中文大學[4-5]的Carmen K．M．fung，李文榮等，2003年美國密西根州立大學的ImadElhaj，申延濤，席寧[6]研究出基于PVDF的1維和2維懸臂梁復合結構微力傳感器。申延濤等通過采用高阻抗的放大器及電壓放大器較好地解決了檢測靜態(tài)力的問題[7-8]。但仍然可以進一步改進其結構和性能。感知信號經過微分電荷放大器、電壓放大器和低通濾波電路，最終由采集卡采集電壓信號。

1 系統組成

所設計的微力傳感器主要包括硬件電路設計和PWDF材料的固定。圖1為微力傳感器測試系統的功能實現過程。

圖1 系統組成

當PVDF受到一個外部力時，在PVDF兩極板上會產生一定量的電荷，電荷經過電荷放大器轉換為電壓信號，然后經過電壓放大電路，對電壓信號進行放大，經過A/D采樣，送給MCU進行處理，換算成力的數值，通過液晶顯示出來PVDF感知端所受到的力。

2 PVDF微力傳感器的模型

一維PVDF微力傳感器的結構示意圖如圖2所示。圖中各參數如下：

圖2 微力傳感器結構示意圖

W為PWDF薄膜的寬度；L為PVDF薄膜的長度；h為PVDF薄膜的厚度；A為PWDF薄膜的表面積(L×W)；a為PVDF薄膜的截面積(W×h)；L0為探針的長度。

根據壓電特性，PVDF表面產生的電荷Q可以表示為：

上式表示PVDF表面產生的力與電荷Q之間的函數關系，在實際應用中電荷Q很難測得。為了便于測量，降低噪聲，提高微力傳感器的精度，必須設計信號處理電路將電荷信息轉換為電壓信息。

3 硬件電路設計

3．1電源設計

電源是給電路提供能量的重要部分，同時電源是否穩(wěn)定直接影響到信號調理電路的誤差大小。信號調理電路模塊包括電荷放大電路與電壓放大電路。對稱供電的運放在交流應用時可改用單電源工作，但改變供電方式也帶來偏置、帶寬、穩(wěn)定性等問題。因此在設計運放供電電源時采用雙電源供電，通過電源轉換芯片把直流5 V電壓轉換成±12 V電源，通過高頻濾波電容對±12 V的電壓進行濾波，為了增加電源的穩(wěn)定性同時加上了一個10 μF極性電容。電路圖如圖3所示。

圖3 電源電路

3．2電荷放大電路設計

電荷放大電路的核心是將PVDF上受力產生的感知電荷轉換成電壓信號。其電路結構如圖4所示。圖中方框部分為與傳感器等效的與電容串聯的電荷源，從功能來看，其是一個電荷發(fā)生器，同時也是一個電容器。電荷放大器是一種深度電容負反饋放大器，輸出電壓信號與輸入電荷信號成正比，具有高輸入阻抗。

圖4 電荷放大電路

OPA129由于其獨特的性能，非常適用于傳統上采用真空靜電計管所組成的靜電計放大器方面的應用，如靜電計、質譜儀、色譜儀、電荷放大器等。這些應用的特殊之處在于它們具有極高的源阻抗，或是需要對極低的電流進行測量和放大，因而特別要求放大器的高阻抗、低噪聲和超低偏置電流特性。

3．3電壓放大電路設計

電壓放大電路中，常用的放大器為儀表放大器和運算放大器。因為儀表放大器具有低漂移、低功耗、高共模抑制比等特點，所以它一般被應用于噪聲環(huán)境下小信號的放大。它的工作原理是將差分小信號疊加在較大的共模信號之上，能夠去除共模信號的影響，同時又能將差分小信號放大。文中采用圖5的電壓放大電路。

圖5 電壓放大電路

AD620的增益通過滑動電阻Rg進行編程，或者更準確地說，通過引腳1與引腳8之間存在的任何阻抗進行編程。對于任何增益，可用下式計算Rg：

4 試驗

為了對傳感器的性能參數進行標定，在設計中采用 MATLAB / Simulink模塊編寫了數據采集程序，采集卡選用PCI-6221，該采集卡具有16位采集精度，250 KS/s的采集速度，和16路模擬輸入口。采集程序如圖6所示，選用采集卡的2路采集通道，分別采集激光位移傳感器的數據和調理電路的電壓數據。

圖6 Simulink數據采集程序

4．1試驗標定PVDF受力產生應變和電壓

采用激光位移測量PVDF受力變形的位移，調理電路輸出PVDF感知信號。對試驗數據進行分析，用MATLAB軟件對試驗數據進行擬合，此處選用最小二乘法進行擬合，得到輸出電壓與PVDF位移之間的關系，如圖7所示。

圖7 最小二乘擬合輸出電壓與應變之間的關系

最小二乘法擬合直線：

U=6.532δ-0.209 9

式中：U為微力傳感器信號調理電路產生的電壓值；δ為PVDF在力的作用下產生的變形。

4．2試驗標定PVDF受力和應變

對微力傳感器受力和產生應變進行標定，標定所使用的電子稱測量PVDF所受的壓力，電子稱的分辨率是0．01 g，操作千分尺微操作臺的微調旋鈕調節(jié)PVDF的應變大小，讀出電子稱顯示的數據，對數據進行記錄。用MATLAB軟件通過最小二乘法對實驗數據進行擬合，得到如圖8所示的試驗曲線。

圖8 PVDF應變和其所受力擬合曲線

最小二乘法擬合直線：

F=2.177 744δ+0.007 4

式中：F為微力傳感器感知的力；δ為PVDF在力的作用下產生的變形。

4．3試驗結論

通過上面的兩個公式最終得到輸出電壓與PVDF所受力之間的關系公式：

式中：F為微力傳感器感知的力；U為微力傳感器信號調理電路產生的電壓值。

經過試驗計算得到微力傳感器的各項數據如下：

(2)分辨率：DSP2812自帶12位A/D轉換器，限制最大采樣電壓為3 V，最小分辨率為2．44 N；

(3)線性度：實際數據與擬合曲線最大偏差為30 N，則線性度為最大偏差與滿量程之比，并算出文中微力傳感器線性度為0．3%；

(4)量程：0～1 g(10 mN)；

(5)頻率響應：PVDF 懸梁在120 dB(Hz)范圍內有良好的頻率響應。

參考文獻：

[1]CURIE J，CURIE P．Development par pression delect recite polaire dansles cristauxhem iedres faces inclines．Bull SocM in de France，1880(3)：90-93

[2]GEHRING G A，COOKE M D，GREGORY I，et al．Cantilever unified theory and optimization for sensors and actuators．Smart Mater．Struct，2000(11)：918-931．

[3]DATSKOS P G，THUNDAT T，LAVRIK N V．Micro and nanocantilever sensors in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology．American Scientific Publishers，2004(X)：1-10．

[4]FUNG C K M，LI W J，ELHAJJ I，et al．Intemet-Based Remote Sensing and Manipulation in Macro Environment，2001 IEEEIASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics，2001( 2)：695-700．

[5]FUNG C K M，ELHAJJ I，LI W J，et al．A 2-D PVDF Force Sensing System for Micro-manipulation and Micro-assembly．ICRA02，2002：1489-1494．

[6]ELHAJ I，SHENT Y，XIT N，et al．A high sensitivity force sensor for Microassembly ：design and experiments．Proceedings of the 2003 lEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics AIM，2003：703-708

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[8]SHEN Y，XI N，SONG B，et al．Networked human/robot cooperative environment for tele-assembly of MEMS devices．Journal of Microme chatronics．2006，3(3-4)：239-266．

作者簡介：劉廷(1988-)，碩士研究生，研究方向為儀器儀表，智能檢測。E-mail：375276327@qq．com

吳曉軍(1963-)，教授，博士，主要研究領域：可靠性，機械電子等方向。E-mail：364852331@qq．com