聚氨酯安全套在水溶液中的電特性仿真分析

楊路路，郭雨梅，徐光宇(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

0 引言

在艾滋病大流行之前，使用安全套被認(rèn)為是最好的預(yù)防性傳播疾病的方法。20世紀(jì)90年代聚氨酯被用于安全套材料，其以?xún)?yōu)良的使用舒適度，更有效的隔離艾滋病、肝炎等病毒和更普遍的人群適應(yīng)性等優(yōu)良特性，正逐漸在安全套市場(chǎng)占據(jù)更大份額。目前在工業(yè)生產(chǎn)中聚氨酯安全套抽檢采用漏水檢驗(yàn)法，這種方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，對(duì)聚氨酯安全套的生產(chǎn)效率有較大影響，難以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的企業(yè)生產(chǎn)需求[1]。

文章提出一種通過(guò)高頻信號(hào)穿過(guò)注入適量導(dǎo)電水溶液且主體部分浸沒(méi)在該水溶液中的聚氨酯安全套，采集返回的高頻信號(hào)，比較初始信號(hào)和返回信號(hào)的差異判斷安全套是否存在針孔缺陷的方法。利用COMSOL對(duì)其進(jìn)行建模仿真，分析其電特性。通過(guò)收集分析不同仿真環(huán)境下的初始信號(hào)和返回信號(hào)的差異，判斷聚氨酯安全套是否有針孔缺陷。

1 電特性仿真的系統(tǒng)構(gòu)成和原理

安全套在水溶液中的三維立體圖如圖1所示。整個(gè)仿真環(huán)境分為四部分：水溶液、安全套膜、激勵(lì)源和接收返回信號(hào)極。激勵(lì)源為高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)電水溶液，穿過(guò)安全套膜和安全套中的導(dǎo)電水溶液到達(dá)信號(hào)接收極。安全套膜材料為聚氨酯，屬于絕緣性物質(zhì)。如果在水槽中加入氯化鈉，小蘇打等物質(zhì)，增加水溶液的導(dǎo)電性，使水溶液的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于安全套膜，這時(shí)把激勵(lì)源與安全套外膜之間的水溶液看作電容的一極板，把安全套內(nèi)膜到信號(hào)接收極的水溶液看作電容的另一極板，安全套膜看作電容兩極板之間的介質(zhì)，則注入適量水溶液且主體大部分浸沒(méi)在水溶中的聚氨酯安全套其電特性如同一個(gè)環(huán)形電容。

圖1 安全套在水溶液中的三維圖

一無(wú)針孔聚氨酯安全套在導(dǎo)電水溶液中的等效電路圖如圖2所示，將激勵(lì)源與安全套外膜之間導(dǎo)電水溶液的電阻等效為電阻R1，聚氨酯安全套膜等效為一個(gè)電容C與一個(gè)電阻R2串聯(lián)后再與一個(gè)電阻R3并聯(lián)，安全套內(nèi)膜到信號(hào)接收極之間導(dǎo)電水溶液的電阻等效為電阻R4，R5接電源地，提供電壓信號(hào)采集點(diǎn)A，V1 為高頻激勵(lì)源信號(hào)。

圖2 無(wú)針孔安全套在導(dǎo)電水溶液中的等效電路圖

R1與R4均為導(dǎo)電水溶液電阻，為簡(jiǎn)化計(jì)算可令R1=R4，信號(hào)發(fā)出極電壓設(shè)為V1,可得到信號(hào)采集點(diǎn)A點(diǎn)的電壓：

對(duì)公式(1)進(jìn)行處理得：

令R5=A，R2R5+R3R5=B，2R1+R3+R5=C

2R1R2+2R1R3+R2R3+R2R5+R3R5=D

對(duì)公式(2)進(jìn)行處理得：

由以上公式推導(dǎo)可知，一無(wú)針孔安全套在導(dǎo)電水溶液中存在阻容特性，當(dāng)一定頻率激勵(lì)源作用時(shí)，返回信號(hào)與激勵(lì)源之間存在相位和幅值的變化。但當(dāng)安全套出現(xiàn)針孔時(shí)，這種阻容特性會(huì)被破壞，只存在電阻特性，返回信號(hào)與激勵(lì)源之間只存在幅值變化，不存在相位變化。本研究對(duì)此利用COMSOL進(jìn)行建模仿真，研究其電特性。

2 建模仿真

COMSOL Multiphysics 是一款強(qiáng)大的多物理場(chǎng)仿真軟件，用于仿真模擬工程、制造和科研等各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、設(shè)備及過(guò)程[2]。通過(guò)求解單場(chǎng)或者多場(chǎng)偏微分方程來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真[3]。COMSOL中定義模型的材料屬性、源項(xiàng)、以及邊界條件等可以是常數(shù)、任意變量函數(shù)、邏輯表達(dá)式、或者一個(gè)代表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的插值函數(shù)等[4]。

利用COMSOL可非常方便的建立模型，并進(jìn)行仿真[5]。本研究是對(duì)聚氨酯安全套在水溶液中的二維模型進(jìn)行仿真，主要包括三個(gè)部分：檢測(cè)電極、安全套和導(dǎo)電水溶液。兩個(gè)檢測(cè)電極設(shè)定材料為銅，安全套薄膜材料設(shè)定為聚氨酯，這兩種材料屬性均取自COMSOL材料庫(kù)。由于COMSOL材料庫(kù)中無(wú)具體溶液與電導(dǎo)率之間的關(guān)系，本仿真以在20 ℃環(huán)境下0.3 mg·mL-1，電導(dǎo)率為5.41×10-2S·m-1氯化鈉溶液為標(biāo)準(zhǔn)[6]，通過(guò)該變?nèi)芤弘妼?dǎo)率，針孔直徑，激勵(lì)源頻率探究聚氨酯安全套在導(dǎo)電水溶液中的電特性。

利用COMSOL多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬軟件建立注入適當(dāng)水溶液大小為30 mm×80 mm，厚度0.1 mm，大部分主體浸沒(méi)在水溶液中的聚氨酯安全套仿真模型，如圖3(a)所示。采用自由剖分細(xì)化構(gòu)建物理場(chǎng)控制網(wǎng)格，完整網(wǎng)格包含53 912個(gè)域單元和5 180個(gè)邊界單元，如圖3(b)所示。設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)針孔直徑大小為0.1 mm，如圖3(c)所示。

構(gòu)建以電流為接口的物理場(chǎng)，用于計(jì)算導(dǎo)電介質(zhì)中的電場(chǎng)、電流及電勢(shì)分布，同時(shí)該電場(chǎng)在時(shí)域和頻域中包含電容效應(yīng)，并可使用標(biāo)量電勢(shì)作為因變量，基于歐姆定律求解電流守恒方程[7]。研究選項(xiàng)選擇頻域，用于計(jì)算線(xiàn)性或線(xiàn)性化模型受到一個(gè)或多個(gè)頻率的諧波激勵(lì)時(shí)的響應(yīng)。

整個(gè)仿真環(huán)境建立在電流守恒的環(huán)境下，滿(mǎn)足電流守恒方程：

式中：J為電流密度；Qj·v為電勢(shì)；σ為電導(dǎo)率；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；ω為電信號(hào)頻率；D為擴(kuò)散系數(shù)；Je為電流密度矢量；ε為相對(duì)介電常數(shù)。

在導(dǎo)電水溶液與安全套接觸表面設(shè)置接觸阻抗，模擬安全套膜在水溶液中的阻容效應(yīng)。接觸阻抗設(shè)定為薄層接觸阻抗，表面厚度設(shè)定為0.1 mm，接觸阻抗的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)均設(shè)為與聚氨酯材料相同。激勵(lì)源為幅值10 V，不同頻率的正弦波。同時(shí)在信號(hào)發(fā)出和信號(hào)接收處加邊界探針，以采集顯示激勵(lì)源和返回電信號(hào)的波形變化情況。

3 仿真結(jié)果與分析

仿真模型建好后，對(duì)無(wú)針孔和有針孔兩種聚氨酯安全套在水溶液中的電特性進(jìn)行仿真分析，在控制其他條件不變的情況下，改變單一設(shè)定條件，如水溶液電導(dǎo)率，激勵(lì)源頻率，針孔直徑等得到不同的仿真結(jié)果。藍(lán)色波形為激勵(lì)源信號(hào)波形，綠色波形為信號(hào)接收極的電信號(hào)波形。

圖4為安全套無(wú)針孔，水溶液導(dǎo)電率不變(5.41×10-2S·m-1)，不同頻率激勵(lì)源下探針采集的電特性仿真圖。

圖3 聚氨酯安全套仿真模型圖

圖4 不同激勵(lì)源頻率下的電特性仿真圖

圖5為安全套針孔直徑為0.1 mm，激勵(lì)源頻率為10 kHz，不同水溶液電導(dǎo)率(S·m-1)下的電特性仿真圖。

圖6為安全套針孔直徑為0.05 mm，激勵(lì)源頻率為10 kHz，不同水溶液電導(dǎo)率(S·m-1)下的電特性仿真圖。

圖5 安全套針孔0.1 mm時(shí)不同水溶液電導(dǎo)率下的電特性仿真圖

圖6 安全套針孔直徑0.05 mm時(shí)不同水溶液電導(dǎo)率下的電特性仿真圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)注入適量導(dǎo)電水溶液，大部分主體浸沒(méi)在導(dǎo)電水溶液中的無(wú)針孔聚氨酯安全套存在阻容特性。這種阻容特性的表現(xiàn)與激勵(lì)源頻率有關(guān)，當(dāng)激勵(lì)源頻率較低時(shí)，其電特性更多的表現(xiàn)為電阻特性，初始信號(hào)與接收信號(hào)相比，僅發(fā)生幅值變化；當(dāng)激勵(lì)源頻率較高時(shí)，其電特性同時(shí)具有電阻和電容特性，初始信號(hào)與返回信號(hào)之間既發(fā)生幅值變化，又發(fā)生相位變化。另外，根據(jù)仿真結(jié)果顯示，接收信號(hào)的幅值隨著激勵(lì)源頻率的增大而減小，符合電容阻抗的特性。

(2)注入適量導(dǎo)電水溶液，大部分主體浸沒(méi)在導(dǎo)電水溶液中的帶有針孔的聚氨酯安全套會(huì)破壞無(wú)針孔時(shí)的阻容特性。當(dāng)出現(xiàn)針孔缺陷時(shí)，初始信號(hào)與返回信號(hào)之間僅表現(xiàn)為幅值變化，且這種變化隨著水溶液電導(dǎo)率的增加或安全套針孔直徑的增大而減小。