邊義祥,張 弋,何 燦,孫凱旋,劉榕榕

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)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(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

模仿昆蟲感覺毛的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)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(shè)備,制備了SMPF胚體。在表面涂鍍對稱電極后,經(jīng)過高溫極化、電極封裝等工藝后,成功制備了SMPF氣流傳感器?；诘?類壓電方程和流體力學(xué)理論,建立了懸臂梁結(jié)構(gòu)的SMPF氣流傳感模型,分析了傳感器輸出信號(hào)與纖維長度、氣流速度以及氣流作用方向之間的關(guān)系。將懸臂梁結(jié)構(gòu)的SMPF安置在氣流流場中,進(jìn)行沖擊氣流測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SMPF氣流傳感器的輸出信號(hào)與纖維長度成非線性關(guān)系,與氣流速度成平方關(guān)系,與氣流作用方向成“8”字形關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論模型,表明SMPF傳感器能夠感知?dú)饬鞯乃俣群妥饔梅较?具有較廣泛的工程應(yīng)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(jìn)而判斷周圍雌性蚊子的方位,進(jìn)行求偶活動(dòng)[1];蟋蟀通過尾纖上密布的纖毛感知周圍氣流的流動(dòng)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(cè)線系統(tǒng)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(fā)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(jìn)行捕食[7]。上述這些生物都是通過生長于體表的毛發(fā)感受器,感知周圍的氣流或水流運(yùn)動(dòng)情況。這類毛發(fā)感受器均為懸臂梁結(jié)構(gòu),即一根長長的纖毛連接在它們的感覺神經(jīng)細(xì)胞上,另一端懸空呈自由狀。當(dāng)有外部激勵(lì)作用在這些纖毛上時(shí),纖毛會(huì)產(chǎn)生彎曲或振動(dòng)變形,進(jìn)而作用在它們的神經(jīng)細(xì)胞上,產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng),沿著神經(jīng)纖維傳遞給它們的大腦,大腦通過對不同的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行分析和判斷,產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)激反應(yīng)[8]。

受到動(dòng)物感覺毛感知機(jī)理的啟發(fā),一些研究者設(shè)計(jì)制備了仿生毛發(fā)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(fā)傳感器主要是基于蟋蟀尾纖結(jié)構(gòu)的仿生,即采用懸臂梁結(jié)構(gòu),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(fā)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(gè)微型活動(dòng)電容相連,當(dāng)懸臂梁在外部激勵(lì)作用下產(chǎn)生傾轉(zhuǎn)時(shí),將改變活動(dòng)電容值,通過測量活動(dòng)電容值的改變量,可以計(jì)算出懸臂梁受到的激勵(lì)[10]。壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)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(jì)算出懸臂梁受到的激勵(lì)[11]。

壓電材料具有直接的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能,做成懸臂梁結(jié)構(gòu)時(shí),通過測量響應(yīng)電荷值,可以直接計(jì)算出懸臂梁受到的外部激勵(lì)。壓電式仿生毛發(fā)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?nèi)侩姌O、部分電極、2片對稱電極、4片對稱電極等,用作動(dòng)態(tài)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(fā)傳感器在大的載荷或長期的低頻激勵(lì)作用時(shí),容易損壞,失去傳感能力。

為了克服壓電陶瓷纖維的缺點(diǎn),在前期工作的基礎(chǔ)上,本文采用自制的拉伸設(shè)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(dǎo)電層,制備了含金屬芯PVDF仿生毛發(fā)傳感器,用于風(fēng)洞的氣流測量。

圖1 SMPF的結(jié)構(gòu)

1 傳感器設(shè)計(jì)與制備

傳感器的結(jié)構(gòu)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(dǎo)電膠層。纖維的制備過程為:首先稱取適量的PVDF顆粒,經(jīng)過脫水處理后,放入自制設(shè)備的料斗中,加熱至180 ℃,呈現(xiàn)熔融狀態(tài);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(dāng)熔融狀的PVDF被擠出小孔,經(jīng)過空氣冷卻后,迅速轉(zhuǎn)化成固體狀態(tài),并繼續(xù)被前方已凝結(jié)成固態(tài)的PVDF層拉伸至穩(wěn)定狀態(tài),在此機(jī)械拉伸過程中,一部分β相轉(zhuǎn)化成α相,增加了PVDF層的壓電常數(shù),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(dǎo)電銀漿后,放入90 ℃的硅油中進(jìn)行極化,極化電路如圖2(a)所示,中間金屬絲用作一個(gè)電極,表面2片導(dǎo)電層連接成另一個(gè)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(dǎo)電層分別接出,就可以用作SMPF仿生毛發(fā)傳感器了。纖維中經(jīng)過極化的PVDF層,表面沒有被電極覆蓋的區(qū)域認(rèn)為沒有被極化,不具有壓電性;表面有電極覆蓋的區(qū)域被極化,具有壓電性,極化方向?yàn)閺较?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(jié)構(gòu),將懸臂梁結(jié)構(gòu)的SMPF放置于流場中,測量氣流的大小和方向,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中l(wèi)0為涂鍍電極的長度,L為SMPF的長度。

圖3 SMPF傳感器模型

當(dāng)SMPF受到氣流沖擊作用時(shí),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;ρa(bǔ)ir為空氣的質(zhì)量密度,在室溫條件下,一般取1.21×103g/m3;CD為阻尼系數(shù),具體數(shù)值和氣流速度有關(guān)。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(biāo)。

本文采用第1類壓電方程建立傳感器的理論模型,表達(dá)式為:

(3)

(4)

為了計(jì)算和公式的推導(dǎo)方便,本文使用圓柱坐標(biāo)系建立模型的坐標(biāo)系,其中z方向、θ方向和r方向分別對應(yīng)壓電方程中的1方向、2方向和3方向。由于SMPF的長度遠(yuǎn)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(yīng)力可以忽略,即SMPF只有軸向(z方向)有應(yīng)變,其余方向的應(yīng)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(jié)構(gòu)SMPF的應(yīng)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(yuǎn)大于它的半徑,所以當(dāng)SMPF產(chǎn)生較小的彎曲變形時(shí),可以認(rèn)為各部分的曲率半徑都相同,設(shè)為ρ,則:

(9)

式中:E表示整個(gè)纖維的彈性模量;I表示整個(gè)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(yīng)變?yōu)?

(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?yàn)闅饬鞔祦淼姆较蚺cy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(chǎn)生的電荷值。由于SMPF的結(jié)構(gòu),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(chǎn)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(hào)是Q的2倍。

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

3 氣流沖擊傳感實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證理論分析的正確性,本文設(shè)計(jì)了氣流沖擊傳感實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。主要有微型風(fēng)洞測試儀、三杯式風(fēng)速傳感器、直流電源、電荷放大器、SPMF、工控機(jī)。實(shí)驗(yàn)時(shí),把SMPF和三杯式風(fēng)速傳感器并排地放置在微型風(fēng)洞測試儀中。SMPF輸出的電信號(hào)先通過導(dǎo)線傳輸?shù)诫姾煞糯笃髦?經(jīng)電荷放大器放大后,通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到工控機(jī)中。三杯式風(fēng)速傳感器輸出的電信號(hào),直接通過數(shù)據(jù)采集卡采集輸入到工控機(jī)中。兩組數(shù)據(jù)分別通過工控機(jī)中的Labview和Origin軟件處理和分析。對數(shù)據(jù)進(jìn)行帶阻濾波(40 Hz～3 000 Hz)處理,進(jìn)而得到最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中,首先將調(diào)節(jié)微型風(fēng)洞的風(fēng)速。風(fēng)速穩(wěn)定后,突然打開風(fēng)洞的門,沖擊氣流沖擊SMPF,使SMPF產(chǎn)生電荷信號(hào),通過電荷放大器,轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后,經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡,輸入到電腦中的Labview程序中。同時(shí),將三杯式風(fēng)速傳感器的輸出信號(hào)也經(jīng)過數(shù)據(jù)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(fēng)速傳感器的完整輸出信號(hào)。

圖5 一次氣流沖擊下,SMPF和風(fēng)速傳感器的輸出信號(hào)

從圖5可以看出,沖擊氣流同時(shí)作用在SMPF和三杯式風(fēng)速傳感器時(shí),二者開始響應(yīng)的開始時(shí)間不同。SMPF在2.652 s時(shí),產(chǎn)生電荷信號(hào),隨后迅速增大到最大值后,又快速降低并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。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(lì)信號(hào)。在本文的實(shí)驗(yàn)過程中,取每次沖擊氣流作用過程中,SMPF產(chǎn)生的電荷信號(hào)的峰值,作為氣流傳感信號(hào)。三杯式風(fēng)速傳感器在3.923 s時(shí)產(chǎn)生電信號(hào),之后逐漸增大,在17.09 s后趨于穩(wěn)定。產(chǎn)生這個(gè)時(shí)間差的主要原因是本文制備的SMPF具有直接的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能,而三杯式風(fēng)速傳感器自身存在的一些機(jī)械性能缺陷而導(dǎo)致的。在實(shí)驗(yàn)過程中,風(fēng)速傳感主要起到校準(zhǔn)風(fēng)速大小和對比的作用。

3.2.2 氣流速度和傳感信號(hào)的關(guān)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(jìn)行氣流傳感實(shí)驗(yàn),其中表面電極長度l0為1 mm,保持不變。每一組實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)后,將SMPF的長度L剪短,重新進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果以氣流速度為橫坐標(biāo),以SMPF的輸出電荷,即傳感信號(hào)為縱坐標(biāo),得出如圖6所示的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

圖6 相同長度條件下,SMPF輸出信號(hào)和沖擊氣流速度關(guān)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(hào)),隨著氣流速度的增加呈非線性遞增的關(guān)系,這和式(14)中的結(jié)論相符,即Q值和氣流速度U0的平方大約成線性關(guān)系。Q值和氣流速度U0的平方之所以不是非常嚴(yán)格的線性關(guān)系,是由于阻尼系數(shù)CD的值隨著氣流速度U0的變化,呈現(xiàn)出非嚴(yán)格單調(diào)的變化關(guān)系,影響了Q值的變化。對不同長度的SMPF進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn),都可以得出同樣的規(guī)律。

圖7 SMPF輸出信號(hào)的線性化

由圖7可見,此時(shí),傳感器的輸出-輸入為線性關(guān)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(dòng)完成。傳感器的線性度、靈敏度、分辨率、重復(fù)性誤差如表1所示。其中,傳感器的線性度、靈敏度由圖7經(jīng)過計(jì)算得到,分辨率、重復(fù)性誤差由圖5所示的多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到。

表1 SMPF氣流傳感器特性

3.2.3 SMPF長度和傳感信號(hào)關(guān)系實(shí)驗(yàn)

為了測試SMPF長度L對傳感信號(hào)的影響,選取長度為30 mm的SMPF進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)分為8組進(jìn)行。每一組實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),調(diào)節(jié)氣流的速度進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)中SMPF產(chǎn)生的電荷信號(hào)峰值作為傳感器信號(hào),8組實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(xiàn)非線性遞增關(guān)系。在不同速度的氣流作用下,都可以得出同樣的規(guī)律。同時(shí)從圖8還可以看出,隨著氣流速度的增大,SMPF輸出的信號(hào)也增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(hào)和自身長度關(guān)系

3.2.4 SMPF的方向性傳感實(shí)驗(yàn)

在上面的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之上,進(jìn)行SMPF的方向性傳感實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)中氣流的速度都為5 m/s。每次實(shí)驗(yàn)開始時(shí),旋轉(zhuǎn)SMPF的角度,以改變氣流的作用角度γ,旋轉(zhuǎn)幅度為15°/次。對采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,做出SMPF輸出信號(hào)和角度γ的關(guān)系圖,如圖9所示,橫坐標(biāo)為SMPF轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,縱坐標(biāo)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(zhuǎn)動(dòng)角度的變化,SMPF輸出的電荷值Q與轉(zhuǎn)動(dòng)角度γ呈余弦的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)相吻合,驗(yàn)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(hào)和氣流角度γ的關(guān)系

同樣,在極坐標(biāo)下對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)而變化的。

圖10 極坐標(biāo)下,SMPF輸出信號(hào)和氣流角度γ的關(guān)系

4 結(jié)論

本文將設(shè)計(jì)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(jīng)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(xué)理論,建立的懸臂梁結(jié)構(gòu)SMPF氣流傳感器的理論模型。搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),測試了SMPF的氣流傳感器性能。結(jié)果表明,SMPF傳感信號(hào)和氣流速度成平方關(guān)系,和纖維長度成非線性遞增關(guān)系,和氣流作用角度成余弦關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論模型。本文設(shè)計(jì)制備的SMPF氣流傳感器有著較為廣泛的工程應(yīng)用前景,有望應(yīng)用于空間狹窄、要求傳感器體積較小,并能大規(guī)模布置的工程領(lǐng)域。

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邊義祥(1973-),男,漢族,揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授,博士,研究方向?yàn)榉律鷤鞲衅?、生物感知機(jī)理,yxbian@yzu.edu.cn;

張弋(1989-),男,漢族,揚(yáng)州大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)榉律鷤鞲衅?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(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275447,51775483);江蘇省研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(SJLX16_0589)

2017-04-24修改日期2017-08-15

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.006