表面部分電極含金屬芯壓電纖維氣流傳感特性研究*

夏咸龍，周桂祥，邊義祥，王昌龍

（揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225127）

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表面部分電極含金屬芯壓電纖維氣流傳感特性研究*

夏咸龍，周桂祥，邊義祥*，王昌龍

（揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225127）

摘要：含金屬芯壓電纖維可以模仿昆蟲的毛發(fā)感受器，感知周圍環(huán)境的氣流變化。在含金屬芯壓電纖維的部分縱向表面涂鍍電極，制備了表面部分電極含金屬芯壓電纖維傳感器PMPF（Partial electrode of Metal core Piezoelectric Fiber）?；谄骄姾煞?，建立了懸臂梁結(jié)構(gòu)PMPF準靜態(tài)氣流傳感模型，分析了PMPF產(chǎn)生的電荷值與表面電極分布角度、纖維長度、氣流流速和氣流方向的關系。搭建了實驗系統(tǒng)，測試了PMPF對沖擊氣流的響應，驗證了理論模型。結(jié)果表明，PMPF的傳感信號和氣流流速成指數(shù)關系，和氣流方向成“8”字形關系。PMPF具有氣流速度和方向的傳感性能。

關鍵詞：壓電纖維；金屬芯；表面電極；氣流傳感

蟋蟀能夠用尾部纖維狀的毛發(fā)感受器，感知周圍環(huán)境微弱的氣流變化，獲得天敵、獵物或求偶者等信息。毛發(fā)的偏離方向可以指示其它動物逼近的方位，判斷來犯天敵的追捕方向，躲避天敵的追捕［1］。從圖1中昆蟲毛發(fā)感受器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出，蟋蟀的毛發(fā)感受器中，懸臂梁結(jié)構(gòu)的纖毛一端自由，另一端固定在角質(zhì)膜上，并和神經(jīng)元相連。當氣流流經(jīng)纖毛時，由于氣流的作用，引起纖毛發(fā)生彎曲變形，這種彎曲變形傳遞給神經(jīng)元，使神經(jīng)元產(chǎn)生刺激信號。大腦通過神經(jīng)元的刺激信號，來判斷周圍氣流的變化情況，并作出相應的反應。蟋蟀的毛發(fā)感受器種類很多，每個感受器的神經(jīng)元只對該毛發(fā)的特定方向變形產(chǎn)生刺激信號；由于其毛發(fā)感受器的纖毛長度范圍從不少于50 μm～1 500 μm長，對一定范圍內(nèi)的低頻聲波特別敏感，可以感知最小為30 μm/s的氣流波動［2-3］，如圖2所示。

圖1　昆蟲毛發(fā)感受器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2　蟋蟀尾毛感知系統(tǒng)

自然界生物的毛發(fā)感受器，是一個巨大的人工模仿流量傳感器的靈感來源。全面了解生物傳感系統(tǒng)，包括他們的感知能力、傳感組件、傳感原理、信息處理，以及影響其靈敏度的特點如幾何形狀和分布，可以幫助該領域研究者開發(fā)、設計仿生流量傳感器，或僅需一個高級模仿方法就可以實現(xiàn)高性能的仿生流量傳感器［4］。

最近幾十年，一些研究者模仿昆蟲的毛發(fā)感受器，設計和制備了一些人工毛發(fā)傳感器，用于感知周圍氣流的變化情況，其中電容式和壓阻式是較為成熟的設計方案。Chen N N等把懸臂梁底部和一個微型可變電容相連，通過測量電容值的變化，計算出流經(jīng)懸臂梁的氣流大小［5］。Stocking等也利用電容感應原理開發(fā)了仿生氣流傳感器，懸臂梁的底部采用一種膜結(jié)構(gòu)提供阻尼和恢復力［6］。Barbier等設計了具有柔性基底的電容式毛發(fā)傳感器［7］。Sar?les等使用脂質(zhì)雙層膜制備毛發(fā)傳感器的底部［8］。

壓阻式仿生毛發(fā)氣流傳感器中，用MEMS技術(shù)制備的懸臂梁的根部和電阻應變片相連。氣流經(jīng)過懸臂梁時，懸臂梁的彎曲偏轉(zhuǎn)引起根部應變片的電阻發(fā)生變化，通過惠斯通電橋測量出測量電阻變化值，可以計算出懸臂梁的彎曲程度，把多個這樣的仿生氣流傳感器排列成陣列，也可以測量氣流的方向和大小［9-10］。

上述電容式或是壓阻式仿生氣流傳感器，都是通過測量電容或電阻的變化，間接測量懸臂梁的彎曲變形，反映周圍氣流的變化和接受低頻振動信號。而壓電材料具有直接的機電轉(zhuǎn)換性能，如果模仿昆蟲的毛發(fā)感受器，做成纖維形狀的懸臂梁傳感器，就可以通過直接測量懸臂梁的彎曲變形，計算出周圍氣流的變化情況。

現(xiàn)有的壓電器件中，單根纖維形狀的壓電傳感器有含金屬芯PVDF纖維、壓電陶瓷纖維和含金屬芯壓電陶瓷纖維［11］。Kechiche M B等用模具擠壓熔融狀態(tài)的PVDF，冷卻后PVDF包裹在銅絲上，并在PVDF的表面真空噴鍍上一層金用作表面電極，制備出含金屬芯PVDF壓電纖維［12］。Junliang Tao等在壓電陶瓷纖維的表面全部涂鍍上金屬層后，用光刻的方法去除縱向2片窄帶后，做成2片表面電極，經(jīng)極化后，做成懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電陶瓷纖維傳感器［13］。經(jīng)過實驗驗證，表明這種傳感器具有很好的方向傳感性能。

如果壓電陶瓷纖維中含有金屬芯，則可以克服陶瓷材料的脆性，延長纖維的使用壽命、擴大纖維的使用范圍。這種含金屬芯的壓電陶瓷纖維稱為MPF（Metal Core Piezoelectric Fibers）。在MPF中，金屬芯位于纖維的中心位置，周圍是圓柱狀的壓電陶瓷。其中金屬芯可以用作一個電極，而噴鍍在纖維表面的金屬層可以用作另一個電極，這樣，單根MPF就可以用作傳感器或驅(qū)動器。

Hiroshi Sato等［14-16］用水熱法制備的MPF中，直徑為150 μm鈦線表面覆蓋平均厚度為20 μm、晶粒大小為5 μm～10 μm均勻的PZT層。用水熱法制備的MPF中PZT層較薄，適合用作傳感器。Jinhao Qiu和Gael Sebald等［17］把泥狀的PMN-PZT用模具擠壓后，包裹在鉑金絲上，經(jīng)過高溫燒結(jié)后在表面噴鍍金屬層，極化后做成MPF傳感器和驅(qū)動器。Hiro?shi Sato等［18］也用擠壓法制備出MPF傳感器。

Jinhao Qiu等［19-20］在MPF的一半縱向表面噴鍍金屬層，做成半電極含金屬芯壓電陶瓷纖維HMPF （Half Coated Metal Core Piezoelectric Fiber）。極化時，HMPF中只有表面覆蓋電極的壓電陶瓷部分被極化，具有壓電性，而表面沒有電極部分不具有壓電性。HMPF用作傳感器時，可以根據(jù)表面電極上產(chǎn)生的電荷，計算彎曲變形程度?；谶@種傳感性能，HMPF可以用作氣流傳感器，感知氣流的大小。HMPF用作彎曲傳感器時，只有一半的壓電陶瓷用作換能材料，效率較低，傳感器輸出信號較小，HMPF傳感器的靈敏度不高［21］。

本文模仿生物的毛發(fā)感受器設計并制備了表面部分電極含金屬芯壓電纖維PMPF（Partial elec?trode of Metal core Piezoelectric Fiber），建立了懸臂梁結(jié)構(gòu)PMPF氣流傳感理論模型，并搭建實驗系統(tǒng)，測試了PMPF對氣流大小和方向的傳感能力，驗證了理論模型。

1　PMPF的設計和制備

1.1PMPF的結(jié)構(gòu)和制備

PMPF的結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示，截面為圓形的鉑金絲位于中間位置，圓環(huán)形狀的壓電陶瓷包裹在鉑金絲周圍，在壓電陶瓷縱向表面噴鍍1片金屬薄層。在以前的工作中，我們采用擠出法制備的含金屬芯壓電陶瓷纖維，可以制備較長的纖維。但是工藝過程比較復雜，準備和制備時間較長，成品率不高。在本文中，纖維是用作氣流傳感器，所需長度較短。為了提高制備效率，縮短制備時間，采用簡化工藝如圖5所示，把PZT5粉末和鉑金絲放入模具，壓制后制成纖維胚體，再經(jīng)過1 100°C高溫燒結(jié)后成形。

圖3　PMPF的外形圖

圖4　PMPF的截面圖

圖5　含芯陶瓷纖維的制備流程

2　PMPF的氣流傳感模型

當有垂直于懸臂梁結(jié)構(gòu)PMPF方向的氣流經(jīng)過時，將在纖維表面產(chǎn)生一個均布載荷作用，纖維彎曲變形，由于壓電效應，在表面金屬層電極和中間金屬芯電極上產(chǎn)生電荷，如圖6和圖7所示。通過測量電荷的極性與大小，得知氣流的來向與速度，從而以此建立PMPF作為氣流傳感器的理論模型。

圖6　PMPF作為氣流傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖7　PMPF作為氣流器的截面圖

2.1壓電方程

PMPF的壓電陶瓷極化部分在圓柱坐標下的壓電方程可以表示為：

其中的S是應變，T是應力，D是電位移，E是電場強度，s是彈性柔順系數(shù)，d是壓電常數(shù)，ε是介電常數(shù)。

當氣流吹向懸臂梁結(jié)構(gòu)的PMPF時，纖維表面會產(chǎn)生一個均布載荷F作用，其彎矩M為

如圖6所示，PMPF作為氣流傳感器時，呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，此時認為PMPF在直徑方向能自由彎曲，由于PMPF的長度一般是直徑的幾十倍，其圓周方向和切向的應力可以忽略。在外加均布載荷后，PMPF的應變和電位移的邊界條件可以分別表示為：

把式（4）～式（6）代入到式（1）和式（2）中，得到；

由于PMPF的長度遠大于直徑，可認為彎曲時PMPF在軸向上各部分的曲率半徑相同，都為κ，則；

式中，E表示纖維的彈性模量，I表示纖維的慣性矩。

在PMPF的在表面電極Rc，，θ處的應變?yōu)椋?/p>

將式（9）代入式（7）得電位移：

纖維表面電極上的電荷可以表示

將式（10）中的電位移代入（11）中，得：

把壓電陶瓷極化部分和未極化部分的對稱軸定為y軸。纖維縱向表面涂鍍了一層圓弧角度為α的金屬層電極，該電極的兩邊界以y軸對稱，氣流的來向與y軸的夾角γ，如圖7所示。

如圖6，懸臂梁結(jié)構(gòu)PMPF放置一均勻流場中，氣流對PMPF的作用可以看做在纖維上施加了一個均布載荷p，該均布載荷p可表示為

式中，U0表示相對于纖維的氣流速度；R為圓柱體的截面半徑；ρair為空氣的質(zhì)量密度，CD表示阻力系數(shù)。

氣流的來向與y軸成夾角γ，如圖7所示，垂直與圓型截面纖維極化方向的載荷分量psinγ，產(chǎn)生的壓電效應可以忽略。則PMPF電極上產(chǎn)生的電荷為

式中，U0表示相對于柱體的氣流速度；R表示圓柱體的截面半徑；ρair表示空氣的質(zhì)量密度，CD表示阻力系數(shù)；γ為氣流的來向與y軸所成角度。

電荷Q的大小和阻力系數(shù)CD成線性關系，和氣流速度U0的平方成線性關系。由于阻力系數(shù)和氣流速度也有關系，在綜合作用下，電荷和氣流速度成指數(shù)關系。電荷和氣流的方向γ成余弦關系，和表面電極的包角α的一半成正弦關系。

3　PMPF氣流傳感實驗

3.1氣流傳感實驗平臺

為了測試纖維對不同速度和方向的氣流的電荷響應，測試平臺搭建如圖8所示。PMPF氣流傳感實驗平臺。在這個實驗中，我們風洞實驗使用一個小型風洞裝置產(chǎn)生層流，對PMPF產(chǎn)生氣流激勵；PMPF受氣流激勵后，兩電極間的電荷輸入到電荷放大器；電荷放大器輸出正比于電荷量的電壓值到數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)工控機上的相關軟件對信號分析處理，得到PMPF對氣流激勵的電荷響應情況，實驗流程圖如圖9所示。

圖8　PMPF氣流傳感實驗平臺

圖9　實驗流程圖

3.2PMPF的靜態(tài)氣流傳感實驗研究

3.2.1靜態(tài)氣流傳感實驗方法

靜態(tài)傳感實驗是指受到突然施加的氣流激勵時，PMPF所產(chǎn)生的響應。這種情況符合昆蟲的實際行為特點，即受到天敵的突然襲擊時，通過毛發(fā)感受器感受周圍的氣流變化，判斷出天敵的追捕方向后逃之夭夭。為了給PMPF施加靜態(tài)氣流激勵，我們在小型風洞進氣口與風洞收縮區(qū)之間側(cè)面壁上制作一細長的開口，可以自由插入和抽出與風洞截面大小接近的擋板，如圖10所示。當風機工作平穩(wěn)后，快速地抽出已從側(cè)面插入的擋板，氣流通過，給PMPF施加了一個恒定速度的準靜態(tài)氣流激勵。

圖10　風洞靜態(tài)實驗裝置圖

本文選用尺寸參數(shù)為Rc=2 mm，Rm=0.5 mm，L=18 mm，α=5π/6，樣品PMPF來進行氣流靜態(tài)傳感實驗，同樣保持表面金屬層電極正對于氣流來向，即γ=0。當風機平穩(wěn)工作時，快速抽離擋板時，PMPF與風速傳感器輸出的信號如圖11所示。

圖11　抽離遮板時，PMPF與風速傳感器的信號輸出

我們從數(shù)據(jù)采集4 s后，開始抽離擋板。從圖11可看出，風速傳感器從PMPF做出響應1s后，開始信號輸出，大約10 s后輸出平穩(wěn)；PMPF對一個突然施加的準靜態(tài)激勵可以快速做出響應。經(jīng)過0.5 s（暫不考慮從氣流達纖維表面到氣流速度平穩(wěn)間的時間）PMPF兩電極間的電荷值從0到最大值1.607 pC，雖然氣流持續(xù)激勵，保持PMPF彎曲變形，但由于壓電材料特性，經(jīng)過4.6 s，電荷值遞減為0。

3.2.2PMPF電荷輸出與氣流速度關系的實驗研究

該實驗采用上述通過抽離遮板，對PMPF產(chǎn)生準靜態(tài)氣流激勵的方式，來得到PMPF輸出的電荷幅值與氣流速度的關系。選用尺寸參數(shù)為Rc= 2 mm，Rm=0.5 mm，L=18 mm，α=2π/3的樣品PMPF，夾角γ=0。通過調(diào)節(jié)小型風洞的風機轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生氣流速度的范圍從0.5 m/s到11 m/s。在氣流速度從0.5 m/s開始，每次遞增0.5 m/s到11 m/s，測得樣品PMPF的電荷量，每次調(diào)節(jié)的氣流速度由風速計校準。該風速計的測量范圍為0～30 m/s，準確度5%。實驗得到PMPF樣品在3 m/s氣流速度下的電荷輸出信號，其電荷量最大值為0.48 pC，如圖12所示。多次測得在0.5 m/s～11 m/s氣流速度下PMPF輸出的最大電荷幅值，取平均值，得到PMPF的電荷響應與氣流速度的關系，如圖13所示。由圖可知，PMPF感知的電荷最大值和沖擊氣流強度基本成指數(shù)的關系，較好地驗證了式（14）的理論結(jié)果。也表明PMPF能夠較準確地測量出沖擊氣流強度。

圖12　γ=0時，PMPF樣品在3 m/s氣流速度下的電荷輸出信號

圖13　γ=0時，PMPF輸出電荷量與氣流速度大小的關系

3.2.3PMPF電荷輸出與恒速氣流來向關系的實驗研究

實驗中，由于風洞中的氣流方向一定，通過調(diào)節(jié)纖維固定端的旋轉(zhuǎn)裝置，得到氣流來向與纖維表面電極徑向?qū)ΨQ軸的夾角γ，如圖14所示。

圖14　PMPF角度調(diào)節(jié)示意圖

在恒定速度的氣流下，通過靜態(tài)氣流激勵方法，從夾角γ=0開始，每次π/6按順時針旋轉(zhuǎn)一周，得到不同來向氣流的激勵下，PMPF輸出的電荷情況。在氣流速度設定5.7 m/s，尺寸參數(shù)為Rc=2 mm，Rm=0.5 mm，L=18 mm，α=5π/6的PMPF在不同夾角γ輸出的最大電荷量幅值，如圖15所示。

從圖15可知，在與氣流來向成不同角度下，PMPF輸出的最大幅值在直角坐標下的趨勢近似呈余弦曲線，在極坐標下也近似“8”字。實驗結(jié)果與理論計算存在的誤差除了之前實驗中所述纖維制備的欠缺和氣流加載方式的不完善；還有可能的是，極化時，由于纖維壓電陶瓷極化部分截面為扇形，導致內(nèi)外電極極化區(qū)域不一致，電場分布不均勻。

4　小結(jié)

本文利用制備的PMPF模仿生物的毛發(fā)感受器，應用于氣流傳感。分析了基于平均電荷法，建立了PMPF靜態(tài)氣流傳感模型。通過數(shù)值仿真，分析了PMPF兩電極間電荷值與表面電極分布角度、纖維長度的關系。搭建了PMPF氣流傳感實驗平臺，測試了PMPF兩電極的電荷與氣流速度、氣流來向的關系。實驗結(jié)果表明，PMPF在測量氣流的速度大小、方向有較好的傳感特性。

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夏咸龍（1990-），男，江蘇鹽城人，碩士，現(xiàn)主要從事智能傳感器、驅(qū)動器方面的研究，261319508@qq.com；

邊義祥（1973-），男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事仿生傳感器、驅(qū)動器方面的研究，yxbian@yzu.edu.cn。

周桂祥（1988-），男，江蘇鹽城人，碩士，現(xiàn)主要從事智能傳感器、驅(qū)動器方面的研究，798601943@qq.com；

Investigations on the Sensitivity of Airflow Using Partially Coated Metal Core Piezoelectric Fiber*

XIA Xianlong，ZHOU Guixiang，BIAN Yixiang*，Wang Changlong
（College of Mechanical Engineering，YangZhou University，Yangzhou Jiangsu 225127，China）

Abstract：Metal core piezoelectric fiber can simulate insects’hair flow sensors，and measure the airflow changes of the surrounding environment.In this paper，we coated part of the longitudinal surface of the metal core piezoelectric fiber with electrode，and prepared partial coated metal core piezoelectric fibers（PMPF）.Based on the average charge method，the cantilever PMPF quasi-static airflow sensor model was established，the relationship between the two electrodes’charge value on PMPF and the surface electrode distribution angle and the length of fiber were ana?lyzed.The experimental platform of cantilever PMPF airflow sensor was established，and the response of PMPF when impact airflow acted on was tested whose results verified the theoretical model.The results show that the out?put signal of the PMPF has a index relation with the air flow velocity，and a "8" glyph relation with the air flow direc?tion.PMPF has the properties of sensing the airflow velocity and direction.

Key words：piezoelectric fiber；metal core；surface electrode；airflow sensor

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.008

收稿日期：2015-07-14修改日期：2015-09-28

中圖分類號：TM282

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）02-0195-07

項目來源：國家自然科學基金面上項目（51275447）