仿生毛發氣流傳感器在流場中的傳感特性研究

徐 強,李佳玲,孫凱旋,姜亞妮,邊義祥

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

近年來，機電傳感技術獲得了高速發展[1]，尤其是一些微型傳感技術在醫療、家用、航空航天及人工智能等方面得到了越來越廣泛的應用。隨著這些傳感技術的普及和應用，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地對流場信號進行監測[3]，這就需要相關領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，仿生學技術應運而生[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問題提供了一定的技術支持。

仿生學這一概念始于1960年[5]，經過半個世紀的發展已成為一門愈發成熟的學科[6-7]。作為一門綜合性的學科，仿生學的研究方向主要是模仿自然界中生物體的生理機制，然后應用到現代科學領域中。雖然目前仿生學已獲得了一定進步和發展，但還遠未達到生物體的生理功能[8]，最簡單的生物結構都比人工機械復雜和精細[9]，因此，仿生學還有廣闊的進步空間。近年來，仿生學的應用越來越廣泛[10]，與其他學科的交叉部分也越來越多，許多技術的應用實現都離不開仿生學，因此，仿生學的前景十分寬廣。

研究發現，昆蟲毛發作為昆蟲的重要感覺器官，可以幫助昆蟲感知外界的信號刺激[11]，其一般為懸臂梁結構，即一端固定在基體上，一端處于可自由運動的狀態[12]，當外界信號(如氣流、振動、聲音等)刺激這些毛發時，毛發自由端會隨著刺激信號發生彎曲并產生電信號[13]，如蟋蟀尾纖上的纖毛、蚊蟲的觸須及魚類的側線系統等[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感受器的基礎上，基于仿生學原理設計、制備的。目前市場上的傳感器主要分為傳統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，傳感性能較穩定，但尺寸較大，很難應用于微型傳感器的設計和制備[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]，因此其應用場合受限。本實驗采用的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]，使用時可根據實驗需要而改變其尺寸，制造成本低，且具有直接的壓電轉換性能，為仿生氣流傳感器的發展提供了新的思路和方法[17]。

1 仿生毛發氣流傳感器的設計與制備

圖1為本文實驗所使用的SMPF纖維結構。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，并進行極化，即可得到SMPF纖維。

圖1 SMPF纖維

2 懸臂梁結構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為應變；T為應力；D為電位移；e為電場強度;s為彈性柔順系數；d為壓電常數；ε為介電常數。

實驗時，SMPF纖維一端固定不動，另一端呈自由狀態。當氣流吹向SMPF纖維時，纖維產生彎曲(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邊界層的厚度。當纖維產生彎曲時截面電極分布情況如圖3所示時，兩側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對纖維進行沖擊。

圖2 SMPF纖維氣流模型

圖3 SMPF纖維有電極部分截面圖

當氣流作用在纖維上時，纖維受到的力FD可等效為均布載荷,即

FD=CDρairv2RL

(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；ρair為空氣的質量密度；CD為阻力系數。

纖維受到的彎矩為

(4)

纖維的電位移為

(5)

設纖維彎曲時的曲率半徑為r，且只有涂鍍電極的部位能產生電荷[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；α為涂鍍電極的包角。

故當給SMPF纖維一個氣流沖擊時，纖維會產生電荷Q，且Q與v和L呈線性增加關系。

圖4為平板邊界層。圖中，U為沿著平板流動的氣流，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邊界層的厚度，τ為流體受到的切應力。當氣流沿著平板方向流動時，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，靠近平板一側的流速會逐漸減小，從而形成流動邊界層[21]。

圖4 平板邊界層

流體在邊界層處的流動滿足：

(8)

(9)

則式(9)滿足以下3個邊界條件[18]:

1)y=0，ux=0。

2)y=δ，ux=u。

在以上3個邊界條件下，速度的分布函數[15]為

(10)

邊界處的切應力為

(11)

式中μ為流體內摩擦系數。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x呈線性增加關系[14]。所以在風洞裝置內沿著氣流速度方向邊界層厚度逐漸增加，同時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，設流體的流速為5 m/s，溫度為20 ℃，1個標準大氣壓，根據流體的流動方向設置進、出口位置，得出流體在不同位置處的氣流模型得到的結果如圖5～7所示。圖中，突出箭頭部分表示風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與中間氣流速度差越大，兩側流速越小。由圖可看出，在靠近第一排纖維處(見圖5)位置，流場截面上各點的速度較均勻，流動邊界層不明顯。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。說明當氣流從風洞中通過時，沿著流速方向會產生流動邊界層且邊界層厚度逐漸增大。

圖5 第一階段風速仿真

圖6 第二階段風速仿真

圖7 第三階段風速仿真

4 SMPF纖維流場傳感實驗

4.1 纖維對氣流沖擊的響應

4.1.1 單根纖維對氣流沖擊的響應

首先測試單根纖維能否感受流體的沖擊，將纖維固定于風洞裝置內，對其進行氣流沖擊，得出纖維輸出的電信號如圖8所示。由圖可知，在2.652 1 s時，SMPF纖維產生電信號；在3.923 4 s時，風速傳感器產生電信號；二者之間存在一個感應時間差。這是因為PVDF材料具有直接的機電轉換性能。因此，SMPF纖維比風速傳感器先感受到氣流沖擊。由圖還可知，SMPF纖維產生電信號后，信號大小先增大后減小最終趨于初始狀態；風速傳感器產生電信號后，信號大小逐漸增大，最終達到穩定狀態，說明SMPF纖維只能感受到突變的沖擊信號。

圖8 SMPF纖維和管道式風速傳感器實驗數據對比

4.1.2 氣流速度對SMPF纖維信號的影響

實驗時，將纖維固定于風洞裝置中，纖維長度取10 mm、20 mm、30 mm，分別用3～10 m/s的氣流對纖維進行沖擊。氣流速度從3 m/s開始，每次增加1 m/s，對纖維產生的電信號進行采集處理，得出其隨氣流速度變化的關系如圖9所示。

圖9 不同長度時纖維信號

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

4.2 纖維在流場中的傳感實驗

4.2.1 纖維陣列在流場中的電荷變化

圖10為實驗裝置示意圖。將15根SMPF纖維呈3排5列布置于風洞實驗裝置中，纖維長度為30 mm，用氣流進行沖擊，氣流速度為5 m/s。對纖維產生的電荷信號進行處理分析，分別得出每排纖維信號大小的變化規律。圖11為當纖維長度和進風口處氣流速度保持不變時靠近進風口處第一、二、三排纖維產生的電荷情況。

圖10 實驗裝置圖

圖11 每排纖維信號大小的變化規律

圖12為通過對圖11進行整合分析得出的纖維陣列信號強度分布圖。由圖可看出，越靠近后排，兩側纖維的信號強度逐漸減小，中間纖維與兩側纖維間信號差逐漸增大。由圖11可看出，對于同一排纖維，越靠近進風口處，兩側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，在風洞裝置內，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，纖維產生的電荷信號逐漸減小，且中間一列纖維產生的電荷大小幾乎不變，外側兩列纖維的電荷變化最明顯。這說明在風洞裝置內，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，流速減小越明顯。即沿著流速方向，氣流速度整體減小，且中間處與兩側處的流速差逐漸增大。

圖12 纖維陣列信號大小

4.2.2 纖維陣列在流場中的響應時間差變化

由圖8可看出，對同一次氣流沖擊，SMPF纖維和風速傳感器之間存在一個響應時間差。因此，可根據響應時間差的變化來探究流場中的氣流變化情況。實驗裝置不變，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，測試纖維開始響應時間與風速傳感器響應時間之間的差值。對數據進行處理分析，得到二者響應時間差的變化規律如圖13所示。

圖13 不同排響應時間差

由圖13可看出，沿著氣流方向即從第一排到第三排，纖維的響應時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速傳感器的響應時間差與同排兩側纖維和風速傳感器的響應時間差之間的差值越大。由于纖維和風速傳感器的位置固定不動，所以纖維和風速傳感器的響應時間差是由流場內氣流速度決定的，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為纖維響應時間差排布。圖中每排纖維響應時間差的變化規律與圖13基本一致，這也與第2節中的流場邊界層理論模型相吻合。

圖14 纖維陣列響應時間差分布

5 結束語

本次實驗先利用單根自制的仿生毛發氣流傳感器并將其置于風洞流場中，通過風動裝置產生氣流對纖維進行刺激，探究了氣流速度與纖維產生電荷間的關系。然后利用多根纖維呈陣列布置于風洞裝置中，在流場中對流體進行測試分析，通過纖維與氣流傳感器響應時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一步驗證了實驗結果的正確性。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。