居本祥,周光銀,呂 冰

(1.重慶理工大學機械工程學院,重慶 400054;2.重慶大學生物工程學院,重慶 400044;3.青島科技大學自動化與電子工程學院,山東青島 266044)

0 引言

隨著應用范圍的拓展,轉速傳感器也發(fā)展出了眾多的種類,典型的如磁電式、磁敏電阻式、霍爾效應式、光電式、電容式、電渦流式等[1-4]。

本研究探索將MSE的磁敏特性與PVDF的正壓電效應相結合構建復合結構應用于轉速傳感器。MSE也可稱為磁流變彈性體(MRE),是磁流變材料家族中具有代表性的成員之一,與其他磁流變材料不同的是MSE采用橡膠類材料作為軟磁顆粒分散填充的基體,且同時具有磁流變材料響應快(ms級)、可逆性好、磁控性能強等優(yōu)點[5-8]。PVDF作為一種半晶體聚合物,已有研究表明PVDF壓電薄膜的壓電系數(shù)遠高于其他壓電材料,且柔順性好,質量輕,靈敏度高,頻帶寬,聲阻抗低[9-11];因而近年來PVDF在結構健康監(jiān)測、振動及力學傳感等領域獲得了越來越多的應用[12-14]。本文從工作原理與結構設計出發(fā),以MSE/PVDF復合結構為核心的傳感器敏感單元,在測試旋轉磁場的激勵下,通過MSE產生的磁致法向力作用于PVDF,激發(fā)其正壓電效應,從而感知被測轉速量。

1 傳感器工作原理

1.1 MSE磁致法向力

MSE主要由硅橡膠基體與軟磁顆粒組成,在預結構化作用下其內部的軟磁顆粒呈現(xiàn)鏈狀或柱狀組織結構排列,結構的方向由預結構化磁場方向決定。已有研究證明:在外磁場作用下,MSE因內部顆粒組織結構間的作用將產生垂直于表面的磁致法向力,該力(FN)可表示為[15]

(1)

式中:S為MSE表面積;d0與d為相鄰軟磁顆粒初始及當前間距;φ為顆粒含量;ξ≈1.202;V為單顆粒體積;μ0與μm為真空及基體相對磁導率;Ms為飽和磁化強度。

本研究建立的MSE磁致法向力表征系統(tǒng)及測試結果如圖1～圖3所示。

圖1 MSE磁致法向力表征系統(tǒng)

圖2 測試夾具與電磁發(fā)生器結構圖

圖3 MSE磁致法向力測試結果

圖1中可編程線性電源激勵電磁發(fā)生器產生不同強度的測試磁場,直流穩(wěn)壓電源為力傳感器提供激勵電壓,力傳感器經變送放大器進行信號放大后通過數(shù)據采集卡記錄并存儲測試數(shù)據。由圖2可知MSE測試樣品被置于磁極及平行板夾具之間,并展示了電磁發(fā)生器的內部結構及磁路分布情況。

測試中設置了5 N的初始預壓力以充分夾持樣品,圖3明確了MSE磁致法向力與測試磁場間的關系,即隨著磁場的增強而增大,由于MSE內部結構中軟磁顆粒沿磁場方向被極化,顆粒間產生強相互作用力,同時擠壓周邊橡膠基體,兩者共同作用致使宏觀表現(xiàn)為對外產生磁致法向力。在激勵磁場達到500 mT時,法向力出現(xiàn)了磁飽和的現(xiàn)象,這與MSE磁滯回線測試結果表現(xiàn)一致。另外,通過可編程電源設置不同周期的方波勵磁電壓,產生占空比50%的方波激勵磁場(幅值500 mT),得到的力傳感器輸出信號如圖4所示?？芍玫降捻憫敵鲭妷号c激勵的變化趨勢高度一致,表明MSE的磁致法向力具有良好的動態(tài)響應特性。

(a)測試間隔:1 s

(b)測試間隔:2 s

(c)測試間隔:5 s

(d)測試間隔:10 s圖4 MSE在方波磁場作用下的力傳感器輸出信號

1.2 PVDF正壓電效應

本研究中的復合結構利用了PVDF的正壓電效應,其實驗測試如圖5所示。

圖5 PVDF彎曲形變測試

圖5在PVDF壓電單元上通過鑷子施加作用力使其發(fā)生動態(tài)彎曲形變,通過外部電荷放大及電壓轉換模塊得到圖6測試輸出結果,顯示正壓電效應顯著。形變時PVDF薄膜內部的正負電荷中心將發(fā)生移動,在其上下表面產生了極性相反、大小相等的束縛電荷。此時可把它看成兩極板上聚集異性電荷,中間為電介質的電容器。期間當作用力消失后,電容迅速放電,薄膜再次恢復到電中性狀態(tài)。

圖6 PVDF壓電單元測試結果

1.3 MSE/PVDF復合結構作用機理

敏感單元中復合結構的作用機理如圖7所示。

圖7 復合結構作用示意圖

在磁場作用下,MSE將產生磁致法向力作用于壓電單元端部,使PVDF壓電薄膜產生彎曲變形,PVDF壓電薄膜的正壓電效應將在X軸與Z軸方向上產生,根據第一類壓電方程:

(2)

結合圖7可知PVDF工作在d31與模式d33,引起的電位移D可簡化表示為

D=d31σ1+d33σ3

(3)

式中:σ1與σ3為應力,由磁致法向力FN決定,即

(4)

式中:h、w、l分別為壓電薄膜厚度、寬度及長度。

則產生的電荷為

(5)

式中A為其上下表面正對電極區(qū)域的面積。

壓電薄膜在圖8模型中可等效為一個電荷源,其中K為運算放大器的增益,Cc為電纜電容,Ca為壓電薄膜電容,Ci為放大器的輸入電容,Cf為反饋電容,由放大器的基本特性,可得輸出電壓(Uo)為

(6)

圖8 等效電路模型

由于K一般取值很大,式(6)可簡化為

(7)

結合式(5)綜合可得:

Uo=GFN

(8)

(9)

當Cf為確定值,Uo不僅與壓電薄膜產生的電荷成正比,且與磁致法向力之間存在線性關系。

2 傳感器結構設計

2.1 磁敏材料MSE

MSE作為復合結構中的磁敏材料,基體采用雙組分加成型室溫硫化硅橡膠(型號:HT-9825,深圳宏圖硅膠科技有限公司);軟磁填充材料為羰基鐵粉顆粒(型號:SQ,巴斯夫股份公司);在NdFeB永磁場(800 mT)中預結構化,樣品尺寸為10 mm×5 mm×1 mm,軟磁顆粒質量分數(shù)為60%。通過掃描電子顯微鏡(型號:Gemini360,卡爾蔡司股份公司)與振動樣品磁強計(型號:8604,美國Lakeshore Cryotronics,Inc.)分別對MSE的微觀結構及磁學性能進行表征,結果如圖9與圖10所示。

圖9 MSE微觀結構

圖10 MSE磁滯回線測試結果

圖9顯示MSE內部軟磁顆粒組織結構排列取向沿著預結構化磁場方向,圖10中磁滯回線測試表明了激勵磁場超過500 mT后變化明顯放緩,甚至停滯,即出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象。

2.2 PVDF壓電單元

PVDF壓電單元作為復合結構的一部分,其結構設計如圖11所示。

圖11 PVDF壓電單元結構示意圖

壓電單元的核心部分采用厚度為28 μm的PVDF壓電薄膜材料,使用導電銀漿絲印工藝在壓電薄膜的上下表面制作電極,通過壓接方式分別在每個電極上引出一個接線端子。最后將上述元件粘接封裝于聚酰亞胺絕緣薄膜內,既可以起到壓電單元對外絕緣作用,又能有效保護PVDF與電極。

2.3 敏感單元設計

傳感器的敏感單元結構示意圖如圖12所示。

圖12 敏感單元結構示意圖

在敏感單元中,MSE與PVDF壓電單元組成復合結構,壓電單元一端與上下固定塊連接,形成固定端,另一端上表面與MSE下表面粘接,MSE上表面與上保護殼下表面粘接固定;上下固定塊的外表面粘結在上下保護殼之間,上下保護殼將復合結構組件封裝于其內部,對外僅引出一對引腳端子。

2.4 傳感器主體結構

本文設計的基于MSE/PVDF復合結構轉速傳感器,其結構示意圖如圖13所示。

圖13 轉速傳感器結構示意圖

旋轉支架通過3D打印技術制成,其側面為U型結構,正方形凹槽設置在支架的上下兩端,在凹槽中安裝相同數(shù)量的永磁體,上端永磁體的N極正對下端永磁體的S極,形成穩(wěn)定分布的永磁場,敏感單元被置于永磁場的兩極之間,且與兩極的間距相等;轉速傳感器主體結構分為動態(tài)組件與靜態(tài)組件,其中旋轉支架與NdFeB永磁體構成動態(tài)組件;相對于運動部件,敏感單元被設定為靜態(tài)組件。

3 實驗測試與結果分析

針對文中所提設計的轉速傳感器,建立相應的傳感器實驗測試系統(tǒng)如圖14所示。

圖14 傳感器實驗測試系統(tǒng)

圖中的旋轉支架與永磁體構成動態(tài)組件與步進電機的轉軸連接,敏感單元作為靜態(tài)組件固定在磁極的中間位置,永磁場大小為470 mT,直流穩(wěn)壓電源-1為轉換模塊提供激勵電壓,直流穩(wěn)壓電源-2為電機驅動器提供驅動電壓,電機控制器可控制實驗所需的測試轉速。PVDF壓電單元兩引腳與轉換模塊連接,可實現(xiàn)電荷放大與輸出電壓信號轉換。為測試傳感器的輸出特性,設置電機的轉速為480 r/min,傳感器的時域輸出信號如圖15所示。

圖15(a)是在周期性磁場激勵下獲得的傳感器時域響應信號,輸出信號呈現(xiàn)較一致的周期性變化特征,當敏感單元與永磁體位置重合時,MSE內部顆粒瞬間被極化產生磁致法向力,擠壓PVDF壓電單元彎曲變形產生正壓電效應,傳感器對外輸出一個電壓峰值信號;圖15(b)是從圖15(a)中提取的任一單周期輸出信號,因為MSE是橡膠類基體,當永磁場遠離敏感單元后表現(xiàn)出了典型的彈性回復特征,兩峰值間的信號即為一個完整的輸出周期,可求得時間間隔T=0.125 s。傳感器只設計了一對永磁結構,電機轉動一周即輸出一個電壓峰值信號,單位時間內輸出電壓周期性峰值數(shù)量即表示被測轉速。由圖15(a)可求得輸出信號所表示的被測轉速為480 r/min,與電機設置轉速相吻合。為進一步測試對轉速量的檢測準確性,采用更高的測試轉速與霍爾傳感器的輸出信號作對比,結果如圖16所示。

設置測試轉速為1 920 r/min,圖16(a)為設計傳感器的輸出電壓信號,通過提取每周期的電壓峰值信號得到的峰值散點圖如圖16(b)所示;另外將相同測試條件作用于霍爾傳感器獲得的輸出信號如圖16(c)所示,該信號也表現(xiàn)出明顯的周期性峰值特征,對其峰值提取所得結果如圖16(d)所示,兩傳感器單位時間內的峰值點完全相同,說明所設計傳感器可以準確表征被測裝置轉速量。

(a)MSE/PVDF傳感器

(b)MSE/PVDF傳感器峰值散點圖

(c)霍爾傳感器

(d)霍爾傳感器峰值散點圖圖16 MSE/PVDF傳感器與霍爾傳感器輸出信號對比

控制電機轉速在480～1 920 r/min,研究在不同測試轉速下傳感器的信號輸出情況,實驗結果如圖17所示。

(a)480 r/min測試結果

(b)960 r/min測試結果

(c)1 440 r/min測試結果

(d)1 920 r/min測試結果圖17 不同測試轉速下傳感器的輸出信號

以480 r/min為間隔的輸出電壓時域波形,在不同轉速測試下均出現(xiàn)了與測試設定值相匹配的周期性峰值電壓信號輸出。隨著被測轉速的增大,傳感器輸出電壓峰峰值出現(xiàn)了增長的趨勢,不同測試轉速相當于給MSE提供了不同頻率的激勵磁場,即軟磁顆粒間將產生相應頻率的磁作用力,硅橡膠基體受到周邊顆粒的擠壓作用,隨著激勵頻率的提升,橡膠分子鏈回復運動難以跟隨激勵頻率的變化,促使顆粒間結合更加緊密,對外產生更強的磁致法向力作用于PVDF壓電單元,致使輸出電壓信號峰峰值增大,周期峰值特征愈加明顯,由此可見傳感器對于中高轉速具有良好的檢測能力。

4 結論

本文提出一種以MSE/PVDF復合結構構建敏感單元核心的轉速傳感器,在分析工作原理的基礎上設計傳感器結構,并進行了實驗測試,通過研究得到以下結論:組成傳感器敏感單元復合結構的MSE磁致法向力在磁場作用下增長明顯,并擁有良好的動態(tài)磁響應特性,且在500 mT時出現(xiàn)磁飽和;結合PVDF的動態(tài)彎曲形變輸出,通過對比實驗表明所研究的傳感器具有與霍爾傳感器完全匹配的輸出電壓峰值響應,且可實現(xiàn)對不同實驗轉速的準確檢測;不同測試轉速實驗結果證明該傳感器可有效針對中高轉速量的檢測。