徐 強(qiáng),李佳玲,孫凱旋,姜亞妮,邊義祥

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

0 引言

近年來，機(jī)電傳感技術(shù)獲得了高速發(fā)展[1]，尤其是一些微型傳感技術(shù)在醫(yī)療、家用、航空航天及人工智能等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著這些傳感技術(shù)的普及和應(yīng)用，對傳感器的使用性能和要求越來越高[2]，要求傳感器可更全面與詳細(xì)地對流場信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測[3]，這就需要相關(guān)領(lǐng)域的科研人員具有更多樣的思路,并提出不同的研究方法。在這種形勢下，仿生學(xué)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4]，使得人們對于流場的分析和探究邁出了新的一步，為科研人員解決流場相關(guān)問題提供了一定的技術(shù)支持。

仿生學(xué)這一概念始于1960年[5]，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展已成為一門愈發(fā)成熟的學(xué)科[6-7]。作為一門綜合性的學(xué)科，仿生學(xué)的研究方向主要是模仿自然界中生物體的生理機(jī)制，然后應(yīng)用到現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域中。雖然目前仿生學(xué)已獲得了一定進(jìn)步和發(fā)展，但還遠(yuǎn)未達(dá)到生物體的生理功能[8]，最簡單的生物結(jié)構(gòu)都比人工機(jī)械復(fù)雜和精細(xì)[9]，因此，仿生學(xué)還有廣闊的進(jìn)步空間。近年來，仿生學(xué)的應(yīng)用越來越廣泛[10]，與其他學(xué)科的交叉部分也越來越多，許多技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)都離不開仿生學(xué)，因此，仿生學(xué)的前景十分寬廣。

研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲毛發(fā)作為昆蟲的重要感覺器官，可以幫助昆蟲感知外界的信號(hào)刺激[11]，其一般為懸臂梁結(jié)構(gòu)，即一端固定在基體上，一端處于可自由運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)[12]，當(dāng)外界信號(hào)(如氣流、振動(dòng)、聲音等)刺激這些毛發(fā)時(shí)，毛發(fā)自由端會(huì)隨著刺激信號(hào)發(fā)生彎曲并產(chǎn)生電信號(hào)[13]，如蟋蟀尾纖上的纖毛、蚊蟲的觸須及魚類的側(cè)線系統(tǒng)等[14]。本文使用的表面對稱電極含金屬芯聚偏氟乙烯(PVDF)纖維(SMPF)是在研究大自然生物毛發(fā)感受器的基礎(chǔ)上，基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)、制備的。目前市場上的傳感器主要分為傳統(tǒng)壓電陶瓷傳感器及高分子壓電材料傳感器[15]兩種。這類傳感器靈敏度較高，傳感性能較穩(wěn)定，但尺寸較大，很難應(yīng)用于微型傳感器的設(shè)計(jì)和制備[13]，制造過程繁瑣，只能測試很小空間中的流場，且一旦制備好尺寸不能隨意改變[16]，因此其應(yīng)用場合受限。本實(shí)驗(yàn)采用的SMPF纖維屬于高分子壓電材料的一種，其壓電性能好，靈敏度高，使用方便[15]，使用時(shí)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要而改變其尺寸，制造成本低，且具有直接的壓電轉(zhuǎn)換性能，為仿生氣流傳感器的發(fā)展提供了新的思路和方法[17]。

1 仿生毛發(fā)氣流傳感器的設(shè)計(jì)與制備

圖1為本文實(shí)驗(yàn)所使用的SMPF纖維結(jié)構(gòu)。將金屬絲置于拉絲裝置中，放入PVDF顆粒加熱使其融化，然后進(jìn)行拉制，使金屬芯表面均勻包裹一層PVDF，接著涂鍍對稱電極，并進(jìn)行極化，即可得到SMPF纖維。

圖1 SMPF纖維

2 懸臂梁結(jié)構(gòu)SMPF纖維氣流傳感器的理論模型

SMPF纖維極化部分的壓電方程[18]可表示為

S=seT+dTe

(1)

D=dT+εTe

(2)

式中:S為應(yīng)變；T為應(yīng)力；D為電位移；e為電場強(qiáng)度;s為彈性柔順系數(shù)；d為壓電常數(shù)；ε為介電常數(shù)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，SMPF纖維一端固定不動(dòng)，另一端呈自由狀態(tài)。當(dāng)氣流吹向SMPF纖維時(shí)，纖維產(chǎn)生彎曲(見圖2)。圖2中，L為纖維總長，l為纖維涂鍍電極部分的長度,δ為平板不同位置流動(dòng)邊界層的厚度。當(dāng)纖維產(chǎn)生彎曲時(shí)截面電極分布情況如圖3所示時(shí)，兩側(cè)加粗圓弧部分為對稱涂鍍電極部位，氣流沿著正對著電極的方向?qū)w維進(jìn)行沖擊。

圖2 SMPF纖維氣流模型

圖3 SMPF纖維有電極部分截面圖

當(dāng)氣流作用在纖維上時(shí)，纖維受到的力FD可等效為均布載荷,即

FD=CDρa(bǔ)irv2RL

(3)

式中：FD為SMPF纖維單位長度上所受載荷[19]；v為氣流速度；R為纖維截面半徑；ρa(bǔ)ir為空氣的質(zhì)量密度；CD為阻力系數(shù)。

纖維受到的彎矩為

(4)

纖維的電位移為

(5)

設(shè)纖維彎曲時(shí)的曲率半徑為r，且只有涂鍍電極的部位能產(chǎn)生電荷[20]，因而

1/r=M/(EI)

(6)

SMPF纖維橫截面上部分電極的表面電荷為

(7)

式中：d31為壓電常數(shù)；α為涂鍍電極的包角。

故當(dāng)給SMPF纖維一個(gè)氣流沖擊時(shí)，纖維會(huì)產(chǎn)生電荷Q，且Q與v和L呈線性增加關(guān)系。

圖4為平板邊界層。圖中，U為沿著平板流動(dòng)的氣流，且初始速度為u，ux為沿著x方向的氣流速度，δ1、δ2分別為平板不同位置流動(dòng)邊界層的厚度，τ為流體受到的切應(yīng)力。當(dāng)氣流沿著平板方向流動(dòng)時(shí)，由于流體本身具有粘性，且靠近平板處的粘性不可忽略，因此，靠近平板一側(cè)的流速會(huì)逐漸減小，從而形成流動(dòng)邊界層[21]。

圖4 平板邊界層

流體在邊界層處的流動(dòng)滿足：

(8)

(9)

則式(9)滿足以下3個(gè)邊界條件[18]:

1)y=0，ux=0。

2)y=δ，ux=u。

在以上3個(gè)邊界條件下，速度的分布函數(shù)[15]為

(10)

邊界處的切應(yīng)力為

(11)

式中μ為流體內(nèi)摩擦系數(shù)。將式(11)代入式(8)得：

(12)

由式(12)可看出，邊界層的厚度和流體橫向坐標(biāo)x呈線性增加關(guān)系[14]。所以在風(fēng)洞裝置內(nèi)沿著氣流速度方向邊界層厚度逐漸增加，同時(shí)邊界位置的氣流速度與中間位置氣流速度間的差值沿著流速方向逐漸增大[21]。

3 有限元仿真分析

首先我們通過Ansys對流場進(jìn)行有限元仿真分析。仿真的流體域長×寬×高為560 mm×240 mm× 90 mm，設(shè)流體的流速為5 m/s，溫度為20 ℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，根據(jù)流體的流動(dòng)方向設(shè)置進(jìn)、出口位置，得出流體在不同位置處的氣流模型得到的結(jié)果如圖5～7所示。圖中，突出箭頭部分表示風(fēng)洞流場中各截面處的速度分布，突出越明顯表示所在截面兩側(cè)與中間氣流速度差越大，兩側(cè)流速越小。由圖可看出，在靠近第一排纖維處(見圖5)位置，流場截面上各點(diǎn)的速度較均勻，流動(dòng)邊界層不明顯。然后沿著流速方向，邊界處的流速逐漸減小，且邊界層厚度逐漸增大。說明當(dāng)氣流從風(fēng)洞中通過時(shí)，沿著流速方向會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)邊界層且邊界層厚度逐漸增大。

圖5 第一階段風(fēng)速仿真

圖6 第二階段風(fēng)速仿真

圖7 第三階段風(fēng)速仿真

4 SMPF纖維流場傳感實(shí)驗(yàn)

4.1 纖維對氣流沖擊的響應(yīng)

4.1.1 單根纖維對氣流沖擊的響應(yīng)

首先測試單根纖維能否感受流體的沖擊，將纖維固定于風(fēng)洞裝置內(nèi)，對其進(jìn)行氣流沖擊，得出纖維輸出的電信號(hào)如圖8所示。由圖可知，在2.652 1 s時(shí)，SMPF纖維產(chǎn)生電信號(hào)；在3.923 4 s時(shí)，風(fēng)速傳感器產(chǎn)生電信號(hào)；二者之間存在一個(gè)感應(yīng)時(shí)間差。這是因?yàn)镻VDF材料具有直接的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能。因此，SMPF纖維比風(fēng)速傳感器先感受到氣流沖擊。由圖還可知，SMPF纖維產(chǎn)生電信號(hào)后，信號(hào)大小先增大后減小最終趨于初始狀態(tài)；風(fēng)速傳感器產(chǎn)生電信號(hào)后，信號(hào)大小逐漸增大，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明SMPF纖維只能感受到突變的沖擊信號(hào)。

圖8 SMPF纖維和管道式風(fēng)速傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

4.1.2 氣流速度對SMPF纖維信號(hào)的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將纖維固定于風(fēng)洞裝置中，纖維長度取10 mm、20 mm、30 mm，分別用3～10 m/s的氣流對纖維進(jìn)行沖擊。氣流速度從3 m/s開始，每次增加1 m/s，對纖維產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行采集處理，得出其隨氣流速度變化的關(guān)系如圖9所示。

圖9 不同長度時(shí)纖維信號(hào)

由圖9可看出，當(dāng)氣流速度逐漸增大時(shí)，纖維產(chǎn)生的電信號(hào)逐漸增大，且二者之間呈二次曲線關(guān)系，這與式(7)的結(jié)果吻合。由圖9還可看出，隨著纖維長度的逐漸增加，纖維信號(hào)也逐漸增大，這與理論模型相符，即纖維產(chǎn)生的信號(hào)隨氣流速度的增大而增大，且與速度呈二次線性關(guān)系。

4.2 纖維在流場中的傳感實(shí)驗(yàn)

4.2.1 纖維陣列在流場中的電荷變化

圖10為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。將15根SMPF纖維呈3排5列布置于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置中，纖維長度為30 mm，用氣流進(jìn)行沖擊，氣流速度為5 m/s。對纖維產(chǎn)生的電荷信號(hào)進(jìn)行處理分析，分別得出每排纖維信號(hào)大小的變化規(guī)律。圖11為當(dāng)纖維長度和進(jìn)風(fēng)口處氣流速度保持不變時(shí)靠近進(jìn)風(fēng)口處第一、二、三排纖維產(chǎn)生的電荷情況。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖11 每排纖維信號(hào)大小的變化規(guī)律

圖12為通過對圖11進(jìn)行整合分析得出的纖維陣列信號(hào)強(qiáng)度分布圖。由圖可看出，越靠近后排，兩側(cè)纖維的信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，中間纖維與兩側(cè)纖維間信號(hào)差逐漸增大。由圖11可看出，對于同一排纖維，越靠近進(jìn)風(fēng)口處，兩側(cè)纖維與中間位置纖維間的電荷差值越小。由于纖維長度固定，由式(7)可知，影響纖維信號(hào)變化的因素為纖維所在處氣流速度的大小。由此可推出，在風(fēng)洞裝置內(nèi)，沿著氣流速度方向，邊界處的氣流速度與中間處的氣流速度之間的差值逐漸增大。由圖11還可看出，對于同一列纖維，沿著氣流速度方向，纖維產(chǎn)生的電荷信號(hào)逐漸減小，且中間一列纖維產(chǎn)生的電荷大小幾乎不變，外側(cè)兩列纖維的電荷變化最明顯。這說明在風(fēng)洞裝置內(nèi)，沿著氣流速度方向，氣流速度呈逐漸減小趨勢，且越靠近中間，流速減小越不明顯；越靠近兩側(cè)，流速減小越明顯。即沿著流速方向，氣流速度整體減小，且中間處與兩側(cè)處的流速差逐漸增大。

圖12 纖維陣列信號(hào)大小

4.2.2 纖維陣列在流場中的響應(yīng)時(shí)間差變化

由圖8可看出，對同一次氣流沖擊，SMPF纖維和風(fēng)速傳感器之間存在一個(gè)響應(yīng)時(shí)間差。因此，可根據(jù)響應(yīng)時(shí)間差的變化來探究流場中的氣流變化情況。實(shí)驗(yàn)裝置不變，纖維仍呈三排五列布置，纖維長度為30 mm，氣流速度為5 m/s，測試?yán)w維開始響應(yīng)時(shí)間與風(fēng)速傳感器響應(yīng)時(shí)間之間的差值。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到二者響應(yīng)時(shí)間差的變化規(guī)律如圖13所示。

圖13 不同排響應(yīng)時(shí)間差

由圖13可看出，沿著氣流方向即從第一排到第三排，纖維的響應(yīng)時(shí)間差曲線越來越尖銳突出。說明越靠近后排，每排居中位置纖維和風(fēng)速傳感器的響應(yīng)時(shí)間差與同排兩側(cè)纖維和風(fēng)速傳感器的響應(yīng)時(shí)間差之間的差值越大。由于纖維和風(fēng)速傳感器的位置固定不動(dòng)，所以纖維和風(fēng)速傳感器的響應(yīng)時(shí)間差是由流場內(nèi)氣流速度決定的，即越靠近后排的位置，流場中間處的氣流速度與兩側(cè)處的氣流速度的差值越大；沿著氣流速度方向，流場邊界處的氣流速度逐漸減小，流場邊界層厚度逐漸增大，圖14為纖維響應(yīng)時(shí)間差排布。圖中每排纖維響應(yīng)時(shí)間差的變化規(guī)律與圖13基本一致，這也與第2節(jié)中的流場邊界層理論模型相吻合。

圖14 纖維陣列響應(yīng)時(shí)間差分布

5 結(jié)束語

本次實(shí)驗(yàn)先利用單根自制的仿生毛發(fā)氣流傳感器并將其置于風(fēng)洞流場中，通過風(fēng)動(dòng)裝置產(chǎn)生氣流對纖維進(jìn)行刺激，探究了氣流速度與纖維產(chǎn)生電荷間的關(guān)系。然后利用多根纖維呈陣列布置于風(fēng)洞裝置中，在流場中對流體進(jìn)行測試分析，通過纖維與氣流傳感器響應(yīng)時(shí)間差的變化分析流場中的流體特性，得出沿著流體方向，流體邊界層厚度越大，同一截面處的流體速度差也逐漸增大，并通過有限元仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。為探究仿生傳感器在流場中的傳感特性研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。