表面四电极含金属芯压电纤维的冲击振动传感特性研究

孙凯旋,张 弋,边义祥,夏咸龙,吴志学

(扬州大学机械工程学院,江苏 扬州 225127)



表面四电极含金属芯压电纤维的冲击振动传感特性研究

孙凯旋,张 弋,边义祥*,夏咸龙,吴志学

(扬州大学机械工程学院,江苏 扬州 225127)

模仿昆虫毛发感受器的结构和功能,设计制备了一种能测量外部振动的表面四电极含金属芯压电纤维(FMPF)冲击振动传感器。采用干压成型法制备了含铂金芯的压电陶瓷纤维胚体,经过高温烧结、涂镀表面电极、高温极化后,制成FMPF传感器。基于压电方程和振动理论,建立了悬臂梁结构的FMPF冲击振动传感器的理论模型,分析了传感信号与冲击振动角度和幅值的关系。把FMPF固定在基体上,搭建了实验系统,测试了FMPF对冲击振动的响应,验证了理论模型。结果表明,FMPF的传感信号和冲击振动的幅值成线性关系,和方向成“8”字形关系。得出了FMPF传感器能够测量冲击振动幅值和方向的结论。

压电纤维;冲击振动;传感器;干压成型法;表面电极

自然界中,动物拥有感知周围环境,并做出相应反应的能力,这对动物的生存起到至关重要的作用。正是因为如此,很多昆虫才能够通过周围气流的变化感知天敌的位置和来犯方向,并能逃之夭夭[1]。它们感知系统的基本原理是相同的,其中蟋蟀是通过尾纤系统来感知周围气流变化的。蟋蟀的2根尾纤是从其腹部伸出,呈现悬臂梁结构,其夹角为60°左右。蟋蟀的尾纤上分布有许多长短不一的感觉毛。这种感觉毛的结构为1根光滑的直杆一端垂直立于尾纤表皮毛窝中,另一端自由,呈现悬臂梁结构。当有外部气流流经感觉毛时,纤毛会发生弯曲变形,刺激与底部相连的神经细胞,神经细胞就会产生神经冲动,并沿神经纤维传递给大脑,蟋蟀以此来感知和判断周围冲击气流的大小和方向,并由此做出相应的反应,比如逃避天敌的追捕、捕食猎物等。这些感觉毛的长度不等,直径约从150 μm至750 μm[2],蟋蟀正是凭借这些数量众多的、大小不同的感觉毛,感知冲击气流的幅值和方向[3-4]。

最近几十年,一些研究者模仿蟋蟀毛发感受器的结构和功能,设计和制备了一些人工毛发传感器,并将它们用于机器人、智能交通工具等来检测基体的冲击振动[5]。Droogendijk H等研究小组制备的电容式仿生毛发振动传感器,其结构为:一根呈悬臂梁结构的杆和一个活动的微型电容器相连[6],当悬臂梁受到冲击振动时,可以根据活动电容的变化量来判断振幅的大小[7]。Liu Chang研究小组制备的压阻式仿生毛发振动传感器,用微电子机械系统技术制备的悬臂梁的根部和电阻应变片相连,通过惠斯通电桥测量电阻变化值,通过其电阻的变化值可以计算出悬臂梁的弯曲程度[8]。Dickinson B T等[9]和Francesco Rizzio等[10]也采用类似的结构制备了仿生毛发传感器。

压电材料具有直接的机电转换性能,可以制成仿生纤维状传感器,检测冲击振动。早期的压电纤维传感器是将纤维状的压电陶瓷纤维做成复合材料,表面喷镀电极后,用作振动传感器。随后,研究者又提出并制备了含金属芯压电陶瓷纤维MPF(Metal Core Piezoelectric Fibers)和半电极含金属芯压电陶瓷纤维HMPF(Half Coated Metal Core Piezoelectric Fiber)[11]。在MPF中,金属芯位于纤维的中心位置,四周包裹着圆柱状的压电陶瓷,在压电陶瓷的整个外表面涂镀金属层。实验时金属芯可以用作一个电极,而涂镀在压电陶瓷纤维表面的金属层可以用作另一个电极,这样单根MPF就可以用作传感器,检测长度方向的应变变化。当在纤维的一半纵向表面喷镀金属层时,可以得到半电极含金属芯压电陶瓷纤维HMPF。悬臂梁结构的HMPF可以作为冲击振动传感器,测量基体冲击振动幅值的大小[12]。但是,无法同时测量冲击振动的方向和幅值。

1 FMPF冲击振动传感器设计与制备

1.1 FMPF的结构设计与制备

FMPF的结构如图1所示,细长圆柱状的铂金丝周围均匀的包裹着压电陶瓷,在压电陶瓷的纵向均匀的涂镀4片导电银浆,用作表面电极。本文纤维采用干压成型的方法制造。首先称取适量的压电陶瓷粉末和截取适量长度的铂金丝,通过自制的磨具压制成圆柱形压电陶瓷纤维胚体,其中铂金丝处在压制好纤维的正中心;把压制好的纤维放在温度达到1 100 ℃的烧结炉中进行烧结1 h后关闭电源,随炉冷却到室温后取出;最后在纤维的表面均匀的涂镀4片电极。

图1 FMPF的结构

经过上面制备的FMPF还不具备压电性,需要对其极化才具有压电性,极化电路如图2所示。极化时,中间的金属芯作为负极使用,外部涂镀导电银胶的4片电极作为正极使用,把纤维浸入甲基硅油中进行极化。在温度为100 ℃,外加1.5 kV电压的恒温油浴锅中极化60 min后,随甲基硅油缓慢冷却至室温。经过极化之后的FMPF,有电极覆盖的区域被极化而具有压电性,而没有被电极覆盖的区域将不被极化,不具有压电性。传感电路如图3所示,其中1和3组成一对对称电极,2和4组成另一对对称电极。

图2 极化电路

图3 传感电路

2 FMPF振动传感器理论模型

仿照昆虫感觉毛的结构,把FMPF一端固定在基体上,另一端自由,使其呈现悬臂梁结构。当基体受到冲击振动时,FMPF会产生相应的变形,根据变形量的不同就会产生不同的电信号,根据这种电信号可以判断出基体受到的振动情况。因此FMPF可以用作振动传感器,测量基体的振动,其振动理论模型如图4所示。

图4 FMPF固定在基体上

2.1 基于压电方程的振动理论模型

基体受到冲击振动时,其位移可以表示为u(t)=U0(1-e-τt)cosγ[13],则悬臂梁的受力可以等效为受到垂直于长度方向均布载荷F的作用,其大小为:

F=τ2U0e-τtcosγ

式中:U0为初始振幅;τ是时间常数;γ为激振方向与截面中y轴的夹角,如图5所示。

图5 FMPF振动传感器截面图

由于压电材料的压电效应,在纤维的表面四片电极上将有电荷产生。FMPF中环形压电陶瓷极化部分在圆柱坐标下的压电方程可以表示为:

[S]=[sE][T]+[d]T[E]

(2)

[D]=[d][T]+[εT][E]

(3)

式中:S表示为应变;T是应力;D是电位移;E是电场强度;s是弹性柔顺系数;d是压电常数;ε是介电常数。

而此时悬臂梁结构的FMPF表面受到均布载荷F作用时,产生的弯矩M可以表示为:

(4)

为了简化计算,此时认为FMPF在其直径方向能自由伸缩,由于FMPF的长度一般是直径的几十倍,这种情况下其圆周方向和切向的应力可以忽略不计。因此在外加均布载荷后,FMPF的应变和电位移的边界条件可以分别表示为:

Srr=Sθθ=Srθ=Sθz=Srz=0

(5)

Dθ=Dz=0

(6)

Er=0

(7)

把式(5)～式(7)分别代入到式(2)和式(3)中,得到:

(8)

由于FMPF的长度远大于直径,可认为弯曲时FMPF在轴向上各部分的曲率半径相同,都为κ,可以表示为:

(9)

式中:E表示纤维的弹性模量;I表示纤维的惯性矩。

(10)

式中:Rc和Rm分别表示纤维和中间金属芯的半径。

而纤维在(Rc,θ)处的应变可以表示为:

(11)

将式(11)代入式(8)得电位移:

(12)

表面电极1上的电荷可以表示为:

(13)

表面电极2上的电荷为:

(14)

将式(11)代入(13)和(14)中,得:

(15)

(16)

再把式(1)代入式(15)和式(16)中,得到悬臂梁结构FMPF在冲击振动作用下,表面电极1和表面电极2产生的电荷为:

(17)

(18)

当FMPF用作振动传感器时,其信号采集电路连接方式如图3传感电路所示,电极 1 和电极3组成一路输出信号电路,在这个电路中2个电极之间的电荷差设为Qa。电极2和电极4组成的输出信号电路中,电荷差设为Qb,则:

Qa=Q1-Q3=2Q1=2Kcosγ

(19)

Qb=Q2-Q4=2Q2=2Ksinγ

(20)

从式(19)和式(20)中可以看出电路A和电路B测到的电荷差值分别为电极1和电极2上电荷的2倍。可以看出这种传感电路连接方式简化了采集电路,增加了传感器的灵敏度。

电路A和电路B所测到的电荷差值即Qa和Qb之间的关系如下:

(21)

(22)

从式(17)、(18)可以看出,当悬臂梁结构的基体受到冲击振动时,FMPF自身也将产生电荷响应,其电荷的大小Q和基体受到的冲击强度U0成正比关系,和角度γ分别成余弦和正弦关系。从式(21)可以看出,两电路输出电荷比值与冲击角度成余切的关系,通过反余切可以算出冲击角度。从式(22)可以看,两电路输出电荷的平方值为一定值,不随冲击角度变化而变化。

图6 冲击振动实验装置

3 FMPF冲击振动传感器实验

3.1 实验平台及实验思路

为了验证上面的理论分析结果和FMPF的冲击振动传感性能,我们将对其进行一系列的实验验证。首先,我们把纤维用环氧树脂粘接在等强度梁的一端上,另一端自由状态,并用激光位移传感器测量FMPF固定端的位移,其实验装置示意图如图6所示。冲击振动实验是通过小钢球自由落在等强度梁另一端固定位置上,以此来实现对整个梁的冲击振动激励。FMPF受到这样的冲击振动时由于其压电效应自身会产生一定的电荷,将产生的电荷信号经过电荷放大器放大和激光位移传感器测量的等强度梁的位移信号一起由数据采集卡实时采集至电脑,通过Labview和Origin对数据进行分析处理,最后得到结果来验证我们上面推导出的理论分析结果。

3.2 实验结果分析

3.2.1 实验前测试分析

当小钢球从一定高度落下碰撞到等强度梁上时,等强度梁受到冲击振动,会产生冲击变形。同时,FMPF两对电极输出2路电信号,分为Qa和Qb,激光位移传感器也输出响应信号,如图7所示。从图7中可以看出,当冲击信号作用在梁上时,激光位移传感器输出的响应信号在冲击后短时间内达到位移最大值,随着梁会产生的自由振动而振动,并在外部阻尼的作用下,振动幅值即位移会越来越小,直至最后恢复到平衡位置。同时,FMPF传感器也产生相应的响应信号,在短时间内达到最大值(如图0.843时产生的信号),然后震荡逐渐变小,直至最后恢复到零。Qa、Qb和激光位移传感器输出的响应电信号在1.35 s～2.00 s之间有点区别是因为FMPF在这段时间内受到周围环境中气流的激励,产生微微的波动。这个气流的激励不足以使基体产生声波动,所以激光位移传感器在这段时间输出的响应电信号没有波动。故可以说FMPF传感器产生的电荷信号和激光位移传感器检测到的梁的位移信号的变化趋势基本一致。

图7 FMPF冲击振动的电荷完整响应信号

3.2.2 FMPF输出电荷与钢球的下落高度关系实验研究

固定纤维的角度γ不变,即保持纤维固定不动,改变钢球的下落高度,即改变式(17)、式(18)中的U0值,采集每次冲击中梁的最大位移值和FMPF输出的最大正电荷值,并在图8中画出。从图8可以看出随着固定端位移幅度的增大,FMPF的输出电荷也逐渐增大。FMPF的输出电荷和梁的位移信号基本成线性关系,这也验证了式(17)和式(18)中电荷Q和幅值U0的线性关系。

图8 FMPF电荷信号和钢球下落高度的关系

3.2.3 FMPF输出电荷与FMPF转动角度关系实验研究

每次冲击时保持钢球落下时的高度和位置不变,只改变纤维的角度γ,即转动纤维,则FMPF的最大输出电荷也随之改变。γ值每次改变30°,记录每次冲击后FMPF的两对电极最大输出电荷值,分别记为Qa、Qb。在直角坐标系下做出如图9、图10所示的结果图。其中,横坐标为冲击角度,纵坐标为输出电荷值。可以看出,两对电极输出电荷Q和角度γ分别呈余弦和正弦的关系,从而验证了式(19)、式(20)。

图9 Qa与冲击角度关系

图10 Qb与冲击角度关系

同样,由实验数据可知随着角度γ值的改变,FMPF输出的最大电荷值也是随着有规律的改变。在极坐标系下,画出Qa、Qb与γ的关系,如图11所示。电荷Qa和角度γ是呈现铅锤的“8”字图,而Qb是呈现水平 的“8”字图。可以看出改变FMPF的角度时,两对电极输出的电荷都是在变化的,说明我们制作的传感器具有测量基体方向的能力。

图11 在极坐标系下FMPF电荷信号与夹角γ的关系

上面得到是电荷Qa、Qb和角度γ之间的关系,而Qa、Qb之间的关系同样也可以在图形中表示出来。将Qa、Qb的比值作为纵坐标,转动角度γ作为横坐标,如图12所示,从图12可以看出Qa和Qb比值呈现余切函数关系,这也验证了式(21)的结论。将电荷Qa的值作为横坐标,电荷Qb的值作为纵坐标,得到Qa和Qb之间的关系如图13所示,从图13可以看出,随着角度的变化,每次测量的电荷值都基本落在一个圆上,这也正好和式(22)得出的结论相吻合,这种现象说明只要冲击的高度不发生改变,Qa和Qb的平方和为一个定值,是不随角度变化而变化的,验证了式(22)的结论。

图13 Qa和Qb的关系

图12 Qa和Qb的比值关系

将FMPF用作冲击振动传感器时,根据传感器输出的2路传感信号,从图8可以看出,FMPF可以测量冲击振动的幅值。从图9、图10可以看出,可以测量冲击振动的角度。由此可以得出单根FMPF传感器可以同时测量冲击振动的幅值和角度的结论。

4 结论

本文利用制备的FMPF冲击振动传感器,测量外部冲击振动,采用理论与实验相结合的方法,验证实验结果的准确性。基于压电方程,建立了FMPF冲击振动传感器的振动传感理论模型,即单根FMPF传感器能够同时测量冲击振动的幅值和角度。通过实验分析验证了振动传感理论模型,并得出了传感信号与激励信号幅值和冲击振动方向的关系。该项研究为冲击振动传感器的设计、制备提出了一种新的方法,具有很强的实用性,可以广泛的应用在受到冲击振动的场合。后续,我们还可利用这种传感器的振动传感理论模型,测量六维加速度信号。

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Vibration Sensing Properties of a Metal Core Piezoelectric Fiber with Four Electrodes on the Surface

SUN Kaixuan,ZHANG Yi,BIAN Yixiang*,XIA Xianlong,WU Zhixue

(College of Mechanical Engineering,YangZhou University,Yangzhou Jiangsu 225127,China)

The four electrode metal core piezoelectric fibers(FMPF)impact vibration sensor that can perceive a vibration perception of the external surface is made through imitating the structure and function of insect’s hair sensilla. Piezoelectric ceramic fiber embryo containing platinum core was prepared by using dry pressing method and was treated by high temperature sintering,coating the surface of electrode polarization,high temperature polarization,then FMPF impact vibration sensor is made.The theoretical model of the FMPF impact vibration sensor of the cantilever beam is established and the relationship between the sensing signal and the angle and amplitude of the shock vibration is analyzed based on the piezoelectric equations and vibration theory. The FMPF is fixed on the substrate,and the experimental system is built,and the response of FMPF to the impact vibration is tested,and the theoretical model is verified. The results show that the amplitude of the sensing signal and the shock vibration of FMPF is linear,and the direction of the“8”-shaped relationship. The conclusion is drawn that the FMPF sensor can measure the magnitude and direction of the shock vibration.

piezoelectric fiber;impact vibration;sensor;dry pressing method;surface electrode

孙凯旋(1991-), 男,江苏徐州人,硕士,现主要从事智能传感器、驱动器方面的研究,1625052284@qq.com;

边义祥(1973-),男,江苏沐阳人,博士、副教授,现主要从事生物感觉毛、人体前庭平衡器官的感知机理和仿生传感器方面的研究,yxbian@yzu.edu.cn。

项目来源:国家自然科学基金项目(51275447);江苏省研究生实践创新计划项目(SJLX16_0589)

2016-11-30 修改日期:2017-01-20

TM282A

A

1004-1699(2017)06-0841-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.007