PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器水下傳感特性研究

郭成東，陳宇航，曹鑫林，吳志學(xué)，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

自然界中，許多動(dòng)物擁有感知周邊環(huán)境并做出反應(yīng)的能力，這對(duì)動(dòng)物的生存起著至關(guān)重要的作用。昆蟲(chóng)通過(guò)周圍氣流的變化感知天敵的位置[1]。老鼠通過(guò)觸須感知?dú)饬鞯淖兓袛辔ｋU(xiǎn)[2]。貓利用貓須感知周圍環(huán)境，尋找獵物[3]。魚(yú)類需要感知系統(tǒng)(側(cè)線系統(tǒng))躲避天敵和捕食一些水中的小蟲(chóng)子，通過(guò)側(cè)線系統(tǒng)感知水下物體的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到追蹤和躲避的效果[4-5]。兩棲動(dòng)物海豹利用胡須對(duì)水下情況進(jìn)行感知，以便鎖定魚(yú)群的位置，以及躲避鯊魚(yú)和虎鯨的追捕[6]。其感知系統(tǒng)的原理類似。受上述動(dòng)物的啟發(fā)，2002年制備了第一個(gè)硅基懸臂梁的流速傳感器后[7]，各種傳感機(jī)制被應(yīng)用到研究中，包括壓阻式、電容式及壓電式等[8-9]。隨著水下航行器、水下機(jī)器人的微型化和柔性化，水下傳感器也逐漸向柔性、高靈敏性發(fā)展。文獻(xiàn)[10]開(kāi)始用聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電纖維開(kāi)發(fā)了壓電式柔性流速傳感器，但靈敏度不高，且無(wú)方向性。2019年，蔣永剛等[11]仿魚(yú)類側(cè)線開(kāi)發(fā)了基于壓電薄膜的水動(dòng)力仿生柔性側(cè)線傳感器。與其他材料相比，PVDF更具有優(yōu)良的壓電性和柔性[12-14]，是一種優(yōu)良的傳感器材料。因此，本文仿造海豹觸須的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備了以PVDF為材料的表面四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器，以PVDF壓電纖維表面的壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷為基礎(chǔ)[15]。實(shí)驗(yàn)分析了此傳感器對(duì)水下激勵(lì)的響應(yīng)，通過(guò)激振源產(chǎn)生不同激勵(lì)的信號(hào)和此傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，可得此傳感器的性能。

1 表面四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器的制備

將PVDF顆粒在200 ℃條件下加熱至熔融狀態(tài)，讓其覆蓋在金屬纖維表面，形成一層PVDF包覆層，在空氣中完全冷卻后可得到一段含金屬芯的PVDF壓電纖維，其中金屬絲剛好處在壓制好的纖維中心[16]，在受到外力作用下，PVDF纖維表面電荷密度產(chǎn)生變化，所以需在表面涂上導(dǎo)電銀漆收集電荷，并以電信號(hào)的方式輸出。

經(jīng)過(guò)上述制備過(guò)程后，需對(duì)壓電纖維進(jìn)行極化使其具備壓電性，在PVDF壓電纖維表面均勻涂上4片電極，如圖1所示。極化時(shí)金屬芯作為負(fù)極，4片電極作為正極，把壓電纖維放入150 ℃、外加電壓0.5 kV、裝有硅油的油溫箱中極化45 min，待冷卻至室溫時(shí)取出。經(jīng)極化處理后，壓電纖維的電極覆蓋區(qū)域具有壓電性，而未被4片電極覆蓋的區(qū)域不具有壓電性，即制備出表面涂導(dǎo)電銀漆部分帶電、未涂導(dǎo)電銀漆部分不帶電的四電極PVDF壓電纖維。

圖1 四電極PVDF壓電纖維

圖2為海豹觸須的剖面圖結(jié)構(gòu)[17]。纖毛發(fā)生變形后刺激底部的神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，然后傳遞給大腦，海豹由此判斷水中物體的運(yùn)動(dòng)和方向。本文仿造海豹觸須結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制備了一個(gè)基于PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器。將上述處理好的PVDF壓電纖維抽去金屬芯，裁剪至合適大小，抽去金屬芯部分用類似動(dòng)物觸須的光纖代替(見(jiàn)圖3)，經(jīng)測(cè)試，光纖與動(dòng)物的觸須相似度較高，這使傳感器具備更好的柔性。本文對(duì)傳感器在水下的感知性能進(jìn)行測(cè)試，考慮到壓電纖維表面的導(dǎo)電漆，所以需要在纖維表面覆蓋一層軟膠防水，為避免導(dǎo)線與水接觸，導(dǎo)線引出部分需用軟管粘連。傳感器下方的可調(diào)角度旋轉(zhuǎn)基座可調(diào)整傳感器的角度，用于方向性實(shí)驗(yàn)，從而制備出可在水下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器(見(jiàn)圖4)。

圖2 海豹觸須的剖面圖結(jié)構(gòu)

圖3 抽去金屬芯的PVDF壓電纖維

圖4 四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器

2 表面四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器傳感原理

水生動(dòng)物胡須由柔軟的毛組織構(gòu)成，當(dāng)受到刺激時(shí)毛組織會(huì)發(fā)生變形。仿照海豹胡須的結(jié)構(gòu)，一段固定在基體上，一端自由，當(dāng)受到激勵(lì)時(shí)，傳感器中的光纖部分發(fā)生變形，帶動(dòng)壓電纖維部分發(fā)生變形，傳感器受到激勵(lì)時(shí)的截面圖如圖5所示。激勵(lì)信號(hào)不同，產(chǎn)生的電信號(hào)不同，根據(jù)電信號(hào)可測(cè)試該傳感器的性能。

圖5 傳感器截面圖

當(dāng)傳感器壓電纖維部分發(fā)生變形時(shí)，計(jì)算電極上產(chǎn)生的電荷使用第一類壓電方程[18]，將邊界條件代入方程后，PVDF層中電位移Dr可表示為

(1)

(2)

(3)

式中：l為PVDF壓電纖維的長(zhǎng)度；α為表面電極的包角；M(x) 為沿長(zhǎng)度方向的彎矩；E為彈性模量；I為慣性矩；RC為表面電極的半徑；x為長(zhǎng)度方向；θ為中心角。

作為傳感器使用時(shí)共有4片電極，電極1、3和電極2、4各為一組輸出電路，因其是對(duì)稱的，所以產(chǎn)生的電荷相等且相反。為了方便表述，設(shè)電極1、3間的電荷差為Qa，設(shè)電極2、4間的電荷差為Qb，則：

Qa=Q1-Q3=2Q1

(4)

Qb=Q2-Q4=2Q2

(5)

3 表面四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器水下傳感性能實(shí)驗(yàn)

3.1 對(duì)不同激勵(lì)信號(hào)的感知

在充滿了水的水池(1.2 m×1 m×0.4 m)中進(jìn)行不同激勵(lì)信號(hào)下的感知實(shí)驗(yàn)，激振器和激光位移傳感器通過(guò)鋼架固定在水池上方，激振器的激振頭部分和制備完成的傳感器完全浸在水中，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖6所示。在激振器的正下方安裝10 mm的振動(dòng)圓球，產(chǎn)生流體動(dòng)力刺激，激振器施加正弦、三角、沖擊和方波振動(dòng)位移，激振器的頻率為1 Hz,振幅為2 mm,將產(chǎn)生的電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器放大后與激光位移器測(cè)得自由端位移信號(hào)一起由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集到電腦上，通過(guò)Labview和Origin對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。兩組電極受到正弦、三角、沖擊和方波激勵(lì)后，輸出的電荷信號(hào)和激光位移測(cè)得自由端位移信號(hào)如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的照片

圖7 輸出電荷信號(hào)和激光位移測(cè)得自由端位移信號(hào)

由圖7可知，用不同波形進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，因?yàn)榧ふ裨吹倪\(yùn)動(dòng)方向和1、3組電極垂直，故在一次激勵(lì)作用下，1、3組電極比2、4組電極輸出電荷大。用正弦、三角、沖擊和方波激勵(lì)呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，在不改變頻率和幅值的情況下，不同波形輸出的電荷信號(hào)基本相同，兩組電極輸出的電荷信號(hào)和激振器輸出波形形狀一致，由此可知，此傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下不同激勵(lì)信號(hào)的感知。

3.2 對(duì)不同速度的響應(yīng)

圖8為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。圖中，激振源的頻率和幅值都可調(diào)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)中，激振源的頻率為2 Hz,振幅為1 mm。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)由電荷放大器放大，信號(hào)可由濾波器進(jìn)行過(guò)濾，之后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行收集，最后由origin處理得到傳感器的輸出電荷，利用處理后的輸出電荷峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，傳感器位于激振源的正下方，激振源的振動(dòng)方向與傳感器的立柱垂直，通過(guò)改變激振源中心與傳感器柱體之間的距離來(lái)調(diào)整流速，傳感器檢測(cè)流速為

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

(6)

式中：f為激振源的振動(dòng)頻率；a為激振源圓球的直徑；s為振幅；D為激振源中心圓球距離傳感器支柱的距離。

如圖9所示，當(dāng)D發(fā)生變化，相應(yīng)的速度分別為94.2 mm/s、56.5 mm/s、6.4 mm/s時(shí)，傳感器的兩組電極輸出信號(hào)發(fā)生變化，1、3組電極因?yàn)榕c激振源振動(dòng)方向垂直，所以比2、4組電極輸出的電荷信號(hào)大。圖10為電荷輸出和速度的關(guān)系。圖中，電荷輸出幅值是一組電極輸出最大和最小電荷的差值，且隨著流速的增加而增加，此傳感器的靈敏度為0.06 pC/(mm·s-1)，量程為0.15～98.7 mm/s，速度檢測(cè)極限可達(dá)0.15 mm/s，與其他此類傳感器相比，速度檢測(cè)極限提升較多。

圖9 兩組電極在不同流速時(shí)的電荷輸出

圖10 兩組電極電荷輸出與流速的關(guān)系

3.3 對(duì)水下運(yùn)動(dòng)物體方向的感知

在水下對(duì)此傳感器的方向性進(jìn)行測(cè)試，傳感器的底部安裝了一個(gè)可變角度的圓盤，實(shí)驗(yàn)時(shí)，激振源的位置不發(fā)生變化，從0°開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，每次變化10°，遞增到360°，輸出信號(hào)顯示為“8”字形，如圖11所示。由圖可看出，改變角度γ時(shí)，兩組電極的輸出電荷幅值都發(fā)生變化，其中0°和180°是傳感器1、3組電極與激振器振動(dòng)的方向。由圖11(a)可看出， 0°和180°輸出電荷幅值最大。由圖11(b)可看出，2、4組電極在0°和180°處輸出電荷幅值最小。相反，在90°和270°時(shí)，1、3組電極輸出電荷最小，而2、4組電極輸出電荷幅值最大。因?yàn)?、3組電極與激振器振動(dòng)的方向平行，而2、4組電極與激振器振動(dòng)的方向垂直。由圖11還可看出,一組電極中對(duì)稱的角度受到激勵(lì)后輸出電荷幅值是不同的，其原因可能是在劃分4片電極時(shí)，對(duì)稱的兩片電極的角度不能達(dá)到完全一致；另外裝置結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致輸出電荷有差異。該傳感器為方向檢測(cè)提供了可能性。

圖11 兩組電極方向性檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以水生動(dòng)物的觸須為靈感，設(shè)計(jì)和制備了表面四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器，主要介紹了表面四電極PVDF壓電纖維柔性的制備過(guò)程，以及基于壓電方程建立了表面四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器傳感理論模型，壓電纖維變形引起了輸出電荷的變化。主要研究了傳感器對(duì)水下情況的感知性能(包括對(duì)不同激勵(lì)信號(hào)感知、水動(dòng)力感知及方向性感知)。用激振器輸出正弦、三角、沖擊和方波信號(hào)在水下固定位置進(jìn)行激勵(lì)，測(cè)試制備的傳感器對(duì)水下不同信號(hào)的感知性能，經(jīng)測(cè)試此傳感器具備對(duì)水下不同激勵(lì)的準(zhǔn)確感知。在對(duì)水動(dòng)力感知性能中，改變激振源到傳感器的距離調(diào)整流速，計(jì)算出傳感器檢測(cè)到的流速大小，此傳感器的靈敏度為0.06 pC/(mm·s-1)，量程為0.15～98.7 mm/s，可檢測(cè)的速度檢測(cè)極限是0.15 mm/s，與其他檢測(cè)流速的傳感器相比，靈敏度較高，檢測(cè)極限較小。在一固定點(diǎn)處激勵(lì)，改變傳感器角度后，傳感器的兩組電極輸出的電荷和角度呈現(xiàn)“8”字型，說(shuō)明制備的傳感器具有良好的方向感知能力。