李美樸，譚秋林

(省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中北大學(xué)，山西太原 030051)

0 引言

在高端裝備制造業(yè)中，軸承廣泛應(yīng)用于高速機(jī)床、航空航天設(shè)施、民用基礎(chǔ)設(shè)施、精密儀表等領(lǐng)域，具有承受載荷和傳遞運(yùn)動(dòng)的作用[1]。作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)中的核心組成部件，軸承在運(yùn)行過程中會(huì)受到交變載荷的作用，隨著時(shí)間的推移，其承載能力和抗疲勞能力遭到損害，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不可避免地發(fā)生變化[2-3]。軸承一旦出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致整個(gè)空間活動(dòng)部件的失效甚至毀壞。因此針對(duì)軸承微小應(yīng)變的監(jiān)測(cè)在故障預(yù)防、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和無損評(píng)估等方面具有重要的研究意義[4-5]。

近年來，許多文章已經(jīng)介紹了應(yīng)變傳感器的制備及應(yīng)用[6-8]。例如，王振明[9]設(shè)計(jì)了一種基于自組裝石墨烯薄膜的柔性應(yīng)變傳感器，采用聚酰亞胺作為基底，石墨烯納米薄膜作為原材料，制備的傳感器具備較好的靈敏度和穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)人體生理信號(hào)的檢測(cè)，比如脈搏、呼吸等。文獻(xiàn)[10]利用電紡熱塑性聚氨酯(TPU)納米纖維膜包覆羧基多壁碳納米管(CNTs)，研制了一種超高工作范圍的可拉伸應(yīng)變傳感器，其工作范圍高達(dá)710%，應(yīng)變因子高達(dá)1 200，在肘部彎曲、手指彎曲和吞咽等人體運(yùn)動(dòng)方面表現(xiàn)出了卓越的靈活性和靈敏度。文獻(xiàn)[11]報(bào)道了一種基于新型高循環(huán)穩(wěn)定性軟導(dǎo)體的無芯片無線應(yīng)變傳感器技術(shù)，復(fù)合材料由嵌在軟硅膠彈性體中的鍍金二氧化鈦納米線組成，它可以成功地連續(xù)無線讀出50%應(yīng)變周期，證明了其用于連續(xù)、無線的體內(nèi)各種組織和器官的應(yīng)變監(jiān)測(cè)的可行性。曹經(jīng)錡等[12]利用柔性壓電復(fù)合材料制備傳感器，并搭建了相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)，測(cè)量傳感器在不同應(yīng)變下的壓電信號(hào)。結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)頻率和應(yīng)變的精確測(cè)量，且該系統(tǒng)的無線測(cè)量距離可達(dá) 40 m，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[13]提出了一種安裝在定制平面和圓形甜甜圈形狀隱形眼鏡內(nèi)的無線無源傳感器，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)眼壓波動(dòng)引起的角膜曲率變化，未來有望實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)連續(xù)IOP監(jiān)測(cè)。

本文使用電鍍法制備了一種基于LC的無線無源傳感器，基底為聚酰亞胺薄膜，應(yīng)變敏感單元為銅叉指電極。通過仿真分析確定了傳感器結(jié)構(gòu)以及傳感器與天線的最佳耦合距離，在搭建的應(yīng)變測(cè)試平臺(tái)上對(duì)已制備的傳感器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器可在0～2 500 με內(nèi)穩(wěn)定工作，具有良好的應(yīng)變特性。

1 傳感器測(cè)試原理

本文傳感器可根據(jù)器件發(fā)生應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生的電容變化來表征應(yīng)變。當(dāng)外界施加應(yīng)變時(shí)，改變了傳感器叉指電容之間的距離，從而改變了電容值，進(jìn)而影響了傳感器的諧振頻率，通過檢測(cè)諧振頻率變化就可以得到應(yīng)變變化。此無線無源傳感器通過電磁耦合的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)無線傳輸。通常情況下，LC無線無源傳感器系統(tǒng)主要包括2部分：外部信號(hào)讀取部分與無線無源傳感器部分。外部信號(hào)讀取部分指網(wǎng)絡(luò)分析儀，其內(nèi)置的信號(hào)發(fā)生器通過連接天線發(fā)射電磁掃頻信號(hào)，傳感器中的電感線圈以電磁耦合的方式與其進(jìn)行交互。當(dāng)掃頻信號(hào)頻率與不同應(yīng)變下傳感器本身的諧振頻率接近時(shí)，天線與傳感器之間發(fā)生諧振，可以將能量耦合進(jìn)傳感器線圈并讀取傳感器的諧振頻率值。傳感器的固有諧振頻率f的計(jì)算公式見式(1)[14]：

f=1/[2π(LsCs)1/2]

(1)

此應(yīng)變傳感器通過測(cè)量叉指電容值來進(jìn)行應(yīng)變檢測(cè)，叉指電容指將2組電極以梳齒狀交叉在一起，此時(shí)叉指電極間電場(chǎng)可以近似為勻強(qiáng)電場(chǎng)。

當(dāng)叉指電極對(duì)數(shù)為n時(shí)，定義平面叉指幾何比η為

η=gc/(wc+gc)

(2)

式中：wc為叉指的寬度；gc為叉指電容間距。

當(dāng)n>3時(shí)，電容值[15]可表示為

C≈lc(n-1)ε0{1+εrK[(1-η2)1/2]}/(2Kη)

(3)

式中：K(x)函數(shù)為第一類完全橢圓積分[16];n為叉指對(duì)數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；lc為叉指電極長度。

從式(3)可以看出，基底的介電常數(shù)、叉指電容的形狀如指長、指寬以及叉指之間距離的變化都會(huì)導(dǎo)致叉指電容值的改變，進(jìn)而影響諧振頻率的變化，故可以通過諧振頻率的變化來判斷應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)待測(cè)參數(shù)的無線獲取。圖1為LC無線無源傳感器測(cè)試原理圖。

圖1 無線無源傳感器測(cè)試原理圖

2 傳感器設(shè)計(jì)與仿真

本文設(shè)計(jì)的傳感器由電感和電容2部分構(gòu)成LC電路，2部分利用導(dǎo)線連接，此結(jié)構(gòu)可以避免電感的寄生電容對(duì)叉指電容的干擾，使得信號(hào)讀取更加靈敏。為滿足微小應(yīng)變的測(cè)試要求，叉指電容部分的尺寸設(shè)計(jì)為8 mm×6 mm，電感部分采用圓形電感，經(jīng)過計(jì)算與仿真，其匝數(shù)為4時(shí)信號(hào)最強(qiáng)，傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，電感部分的幾何尺寸如表1所示，電容部分的幾何尺寸如表2所示。

(a)傳感器剖面圖

(b)傳感器俯視圖圖2 應(yīng)變傳感器示意圖

表1 電感部分的幾何尺寸

表2 叉指部分的幾何尺寸

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的應(yīng)變傳感器的可行性，用高頻仿真軟件HFSS對(duì)設(shè)計(jì)的應(yīng)變傳感器進(jìn)行仿真，通過外加激勵(lì)源的方式，利用天線對(duì)傳感器進(jìn)行饋電，仿真結(jié)果如圖3所示。電場(chǎng)主要集中在叉指表面，表明這部分作為應(yīng)變敏感單元，有很強(qiáng)的應(yīng)變靈敏度。

圖3 傳感器模型及電場(chǎng)仿真

傳感器與線圈天線間的距離對(duì)采集的信號(hào)影響見圖4。從圖4可以看出,隨著天線與傳感器之間距離增大，傳感器的諧振頻率逐漸向左偏移，且S11先減小，后增大。因此傳感器與天線的最佳距離為9 mm，此時(shí)傳感器的諧振頻率為43.69 MHz。

(a)不同耦合距離下傳感器的諧振頻率與S11的關(guān)系圖

(b) 天線與傳感器的耦合距離與S11的關(guān)系圖圖4 傳感器仿真結(jié)果

3 傳感器的制備及測(cè)試

3.1 傳感器制備

傳感器的制備過程如圖5所示。首先，進(jìn)行聚酰亞胺基底的表面處理。采用聚酰亞胺材料為基底，先后采用丙酮、乙醇、去離子水對(duì)基底進(jìn)行清洗，清洗后用干凈的氮?dú)獯蹈蓚溆?，接著?duì)柔性基底進(jìn)行氧氣等離子(氣流量為 200 SCCM，功率為 200 W，時(shí)間為1 min)處理，目的是使薄膜表面具有親水性，以增強(qiáng)敏感材料與基底的粘附能力。然后在聚酰亞胺薄膜表面按照設(shè)計(jì)的螺旋電感和叉指電容進(jìn)行電鍍，電鍍材料為金屬銅，厚度為18 μm。最后，在傳感器表面覆蓋聚酰亞胺膜作為絕緣層，將叉指的電極部分外接螺旋電感得到無線無源柔性應(yīng)變傳感器。

圖5 傳感器的制備流程圖

3.2 傳感器測(cè)試

為了驗(yàn)證傳感器的應(yīng)變性能，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試內(nèi)容包括應(yīng)變變化對(duì)頻率偏移量的影響，應(yīng)變測(cè)量的穩(wěn)定性，驗(yàn)證仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試中天線線圈與被測(cè)傳感器的距離對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是否一致。測(cè)試方案如圖6所示。其中，用螺旋測(cè)微儀對(duì)等強(qiáng)度懸臂梁的活動(dòng)端施加應(yīng)變，通過螺旋測(cè)微儀的旋轉(zhuǎn)，可以使懸臂梁產(chǎn)生微小的位移，進(jìn)而產(chǎn)生微小的應(yīng)變。等強(qiáng)度懸臂梁與螺旋測(cè)微儀共同起到傳遞應(yīng)變的作用。等強(qiáng)度懸臂梁固定端的一側(cè)通過標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微儀的旋鈕，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片就可將測(cè)得的應(yīng)變反饋到計(jì)算機(jī)終端，此時(shí)可在計(jì)算機(jī)上看到施加應(yīng)變的大小。等強(qiáng)度懸臂梁固定端的另一側(cè)貼上制備的無線無源傳感器，根據(jù)仿真得到的最佳耦合距離，將天線固定在傳感器正上方9 mm處，信號(hào)通過天線反饋到網(wǎng)絡(luò)分析儀上，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和記錄，利用origin軟件繪制頻率隨應(yīng)變的變化圖。

圖6 應(yīng)變測(cè)試方案

螺旋測(cè)微裝置產(chǎn)生微位移后，通過應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)讀取應(yīng)變變化，與此同時(shí)，觀察矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上諧振頻率的變化。從0 με開始對(duì)傳感器施加應(yīng)變，每增加100 με記錄1次數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，傳感器的諧振頻率逐漸向右偏移，即頻率隨著應(yīng)變的增大而增大，兩者成正相關(guān)，見圖7。

(a) 諧振頻率與S11的趨勢(shì)圖

(b)諧振頻率與S11曲線的放大圖圖7 不同應(yīng)變下傳感器的頻率與S11的關(guān)系圖

當(dāng)應(yīng)變從0 με升至2 500 με時(shí)，頻率由43.712 3 MHz變?yōu)?3.732 MHz，通過對(duì)應(yīng)變-頻率圖進(jìn)行擬合，得到應(yīng)變和頻率的關(guān)系：f=4.371 24×107+7.761 03x。擬合圖見圖8。

圖8 頻率與應(yīng)變的關(guān)系擬合圖

為了驗(yàn)證傳感器應(yīng)變測(cè)量的穩(wěn)定性，在相同環(huán)境下，對(duì)傳感器進(jìn)行了3次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖9。從圖9可以看出，傳感器性能良好，3次測(cè)試結(jié)果趨于一致，這表明此LC應(yīng)變傳感器對(duì)于應(yīng)變測(cè)量結(jié)果較為可靠。經(jīng)多次測(cè)量取平均，得到傳感器應(yīng)變和頻率的關(guān)系：f=4.371 26×107+7.639 89x，該傳感器的靈敏度為7.6 Hz/με。

圖9 傳感器重復(fù)性測(cè)試

4 結(jié)論

本文提出了一種基于LC的無線無源柔性應(yīng)變傳感器，利用HFSS軟件仿真設(shè)計(jì)并且優(yōu)化了傳感器的結(jié)構(gòu)。傳感器由PI薄膜電鍍銅制成，制備工藝簡單、成本較低。通過應(yīng)變測(cè)試平臺(tái)測(cè)試了傳感器的應(yīng)變范圍和應(yīng)變分辨率。測(cè)試結(jié)果表明此應(yīng)變傳感器能夠在0～2 500 με的應(yīng)變范圍內(nèi)工作，傳感器的應(yīng)變響應(yīng)良好，其應(yīng)變靈敏度為7.6 Hz/με，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了該傳感器具有良好的穩(wěn)定性。此傳感器體積小、量程大、穩(wěn)定性好、分辨率高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小應(yīng)變的檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況、評(píng)估軸承受損狀態(tài)有重要意義，在工程應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。