基于LC的無線無源應(yīng)變傳感器的制備與測試

李美樸，譚秋林

(省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室，中北大學，山西太原 030051)

0 引言

在高端裝備制造業(yè)中，軸承廣泛應(yīng)用于高速機床、航空航天設(shè)施、民用基礎(chǔ)設(shè)施、精密儀表等領(lǐng)域，具有承受載荷和傳遞運動的作用[1]。作為旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)中的核心組成部件，軸承在運行過程中會受到交變載荷的作用，隨著時間的推移，其承載能力和抗疲勞能力遭到損害，運動狀態(tài)不可避免地發(fā)生變化[2-3]。軸承一旦出現(xiàn)問題，將導致整個空間活動部件的失效甚至毀壞。因此針對軸承微小應(yīng)變的監(jiān)測在故障預防、狀態(tài)監(jiān)測和無損評估等方面具有重要的研究意義[4-5]。

近年來，許多文章已經(jīng)介紹了應(yīng)變傳感器的制備及應(yīng)用[6-8]。例如，王振明[9]設(shè)計了一種基于自組裝石墨烯薄膜的柔性應(yīng)變傳感器，采用聚酰亞胺作為基底，石墨烯納米薄膜作為原材料，制備的傳感器具備較好的靈敏度和穩(wěn)定性，可實現(xiàn)人體生理信號的檢測，比如脈搏、呼吸等。文獻[10]利用電紡熱塑性聚氨酯(TPU)納米纖維膜包覆羧基多壁碳納米管(CNTs)，研制了一種超高工作范圍的可拉伸應(yīng)變傳感器，其工作范圍高達710%，應(yīng)變因子高達1 200，在肘部彎曲、手指彎曲和吞咽等人體運動方面表現(xiàn)出了卓越的靈活性和靈敏度。文獻[11]報道了一種基于新型高循環(huán)穩(wěn)定性軟導體的無芯片無線應(yīng)變傳感器技術(shù)，復合材料由嵌在軟硅膠彈性體中的鍍金二氧化鈦納米線組成，它可以成功地連續(xù)無線讀出50%應(yīng)變周期，證明了其用于連續(xù)、無線的體內(nèi)各種組織和器官的應(yīng)變監(jiān)測的可行性。曹經(jīng)錡等[12]利用柔性壓電復合材料制備傳感器，并搭建了相應(yīng)的測試平臺，測量傳感器在不同應(yīng)變下的壓電信號。結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)可實現(xiàn)對振動頻率和應(yīng)變的精確測量，且該系統(tǒng)的無線測量距離可達 40 m，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。文獻[13]提出了一種安裝在定制平面和圓形甜甜圈形狀隱形眼鏡內(nèi)的無線無源傳感器，能夠連續(xù)監(jiān)測眼壓波動引起的角膜曲率變化，未來有望實現(xiàn)無創(chuàng)連續(xù)IOP監(jiān)測。

本文使用電鍍法制備了一種基于LC的無線無源傳感器，基底為聚酰亞胺薄膜，應(yīng)變敏感單元為銅叉指電極。通過仿真分析確定了傳感器結(jié)構(gòu)以及傳感器與天線的最佳耦合距離，在搭建的應(yīng)變測試平臺上對已制備的傳感器進行測試，測試結(jié)果表明，該傳感器可在0～2 500 με內(nèi)穩(wěn)定工作，具有良好的應(yīng)變特性。

1 傳感器測試原理

本文傳感器可根據(jù)器件發(fā)生應(yīng)變時產(chǎn)生的電容變化來表征應(yīng)變。當外界施加應(yīng)變時，改變了傳感器叉指電容之間的距離，從而改變了電容值，進而影響了傳感器的諧振頻率，通過檢測諧振頻率變化就可以得到應(yīng)變變化。此無線無源傳感器通過電磁耦合的方式實現(xiàn)信號無線傳輸。通常情況下，LC無線無源傳感器系統(tǒng)主要包括2部分：外部信號讀取部分與無線無源傳感器部分。外部信號讀取部分指網(wǎng)絡(luò)分析儀，其內(nèi)置的信號發(fā)生器通過連接天線發(fā)射電磁掃頻信號，傳感器中的電感線圈以電磁耦合的方式與其進行交互。當掃頻信號頻率與不同應(yīng)變下傳感器本身的諧振頻率接近時，天線與傳感器之間發(fā)生諧振，可以將能量耦合進傳感器線圈并讀取傳感器的諧振頻率值。傳感器的固有諧振頻率f的計算公式見式(1)[14]：

f=1/[2π(LsCs)1/2]

(1)

此應(yīng)變傳感器通過測量叉指電容值來進行應(yīng)變檢測，叉指電容指將2組電極以梳齒狀交叉在一起，此時叉指電極間電場可以近似為勻強電場。

當叉指電極對數(shù)為n時，定義平面叉指幾何比η為

η=gc/(wc+gc)

(2)

式中：wc為叉指的寬度；gc為叉指電容間距。

當n>3時，電容值[15]可表示為

C≈lc(n-1)ε0{1+εrK[(1-η2)1/2]}/(2Kη)

(3)

式中：K(x)函數(shù)為第一類完全橢圓積分[16];n為叉指對數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對介電常數(shù)；lc為叉指電極長度。

從式(3)可以看出，基底的介電常數(shù)、叉指電容的形狀如指長、指寬以及叉指之間距離的變化都會導致叉指電容值的改變，進而影響諧振頻率的變化，故可以通過諧振頻率的變化來判斷應(yīng)變的變化，實現(xiàn)待測參數(shù)的無線獲取。圖1為LC無線無源傳感器測試原理圖。

圖1 無線無源傳感器測試原理圖

2 傳感器設(shè)計與仿真

本文設(shè)計的傳感器由電感和電容2部分構(gòu)成LC電路，2部分利用導線連接，此結(jié)構(gòu)可以避免電感的寄生電容對叉指電容的干擾，使得信號讀取更加靈敏。為滿足微小應(yīng)變的測試要求，叉指電容部分的尺寸設(shè)計為8 mm×6 mm，電感部分采用圓形電感，經(jīng)過計算與仿真，其匝數(shù)為4時信號最強，傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，電感部分的幾何尺寸如表1所示，電容部分的幾何尺寸如表2所示。

(a)傳感器剖面圖

(b)傳感器俯視圖圖2 應(yīng)變傳感器示意圖

表1 電感部分的幾何尺寸

表2 叉指部分的幾何尺寸

為了驗證所設(shè)計的應(yīng)變傳感器的可行性，用高頻仿真軟件HFSS對設(shè)計的應(yīng)變傳感器進行仿真，通過外加激勵源的方式，利用天線對傳感器進行饋電，仿真結(jié)果如圖3所示。電場主要集中在叉指表面，表明這部分作為應(yīng)變敏感單元，有很強的應(yīng)變靈敏度。

圖3 傳感器模型及電場仿真

傳感器與線圈天線間的距離對采集的信號影響見圖4。從圖4可以看出,隨著天線與傳感器之間距離增大，傳感器的諧振頻率逐漸向左偏移，且S11先減小，后增大。因此傳感器與天線的最佳距離為9 mm，此時傳感器的諧振頻率為43.69 MHz。

(a)不同耦合距離下傳感器的諧振頻率與S11的關(guān)系圖

(b) 天線與傳感器的耦合距離與S11的關(guān)系圖圖4 傳感器仿真結(jié)果

3 傳感器的制備及測試

3.1 傳感器制備

傳感器的制備過程如圖5所示。首先，進行聚酰亞胺基底的表面處理。采用聚酰亞胺材料為基底，先后采用丙酮、乙醇、去離子水對基底進行清洗，清洗后用干凈的氮氣吹干備用，接著對柔性基底進行氧氣等離子(氣流量為 200 SCCM，功率為 200 W，時間為1 min)處理，目的是使薄膜表面具有親水性，以增強敏感材料與基底的粘附能力。然后在聚酰亞胺薄膜表面按照設(shè)計的螺旋電感和叉指電容進行電鍍，電鍍材料為金屬銅，厚度為18 μm。最后，在傳感器表面覆蓋聚酰亞胺膜作為絕緣層，將叉指的電極部分外接螺旋電感得到無線無源柔性應(yīng)變傳感器。

圖5 傳感器的制備流程圖

3.2 傳感器測試

為了驗證傳感器的應(yīng)變性能，對其進行測試，主要測試內(nèi)容包括應(yīng)變變化對頻率偏移量的影響，應(yīng)變測量的穩(wěn)定性，驗證仿真結(jié)果與實際測試中天線線圈與被測傳感器的距離對實驗結(jié)果的影響是否一致。測試方案如圖6所示。其中，用螺旋測微儀對等強度懸臂梁的活動端施加應(yīng)變，通過螺旋測微儀的旋轉(zhuǎn)，可以使懸臂梁產(chǎn)生微小的位移，進而產(chǎn)生微小的應(yīng)變。等強度懸臂梁與螺旋測微儀共同起到傳遞應(yīng)變的作用。等強度懸臂梁固定端的一側(cè)通過標準應(yīng)變片連接動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)螺旋測微儀的旋鈕，標準應(yīng)變片就可將測得的應(yīng)變反饋到計算機終端，此時可在計算機上看到施加應(yīng)變的大小。等強度懸臂梁固定端的另一側(cè)貼上制備的無線無源傳感器，根據(jù)仿真得到的最佳耦合距離，將天線固定在傳感器正上方9 mm處，信號通過天線反饋到網(wǎng)絡(luò)分析儀上，對采集的數(shù)據(jù)進行觀察和記錄，利用origin軟件繪制頻率隨應(yīng)變的變化圖。

圖6 應(yīng)變測試方案

螺旋測微裝置產(chǎn)生微位移后，通過應(yīng)變測量分析系統(tǒng)讀取應(yīng)變變化，與此同時，觀察矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上諧振頻率的變化。從0 με開始對傳感器施加應(yīng)變，每增加100 με記錄1次數(shù)據(jù)，當應(yīng)變增大時，傳感器的諧振頻率逐漸向右偏移，即頻率隨著應(yīng)變的增大而增大，兩者成正相關(guān)，見圖7。

(a) 諧振頻率與S11的趨勢圖

(b)諧振頻率與S11曲線的放大圖圖7 不同應(yīng)變下傳感器的頻率與S11的關(guān)系圖

當應(yīng)變從0 με升至2 500 με時，頻率由43.712 3 MHz變?yōu)?3.732 MHz，通過對應(yīng)變-頻率圖進行擬合，得到應(yīng)變和頻率的關(guān)系：f=4.371 24×107+7.761 03x。擬合圖見圖8。

圖8 頻率與應(yīng)變的關(guān)系擬合圖

為了驗證傳感器應(yīng)變測量的穩(wěn)定性，在相同環(huán)境下，對傳感器進行了3次測試，測試結(jié)果見圖9。從圖9可以看出，傳感器性能良好，3次測試結(jié)果趨于一致，這表明此LC應(yīng)變傳感器對于應(yīng)變測量結(jié)果較為可靠。經(jīng)多次測量取平均，得到傳感器應(yīng)變和頻率的關(guān)系：f=4.371 26×107+7.639 89x，該傳感器的靈敏度為7.6 Hz/με。

圖9 傳感器重復性測試

4 結(jié)論

本文提出了一種基于LC的無線無源柔性應(yīng)變傳感器，利用HFSS軟件仿真設(shè)計并且優(yōu)化了傳感器的結(jié)構(gòu)。傳感器由PI薄膜電鍍銅制成，制備工藝簡單、成本較低。通過應(yīng)變測試平臺測試了傳感器的應(yīng)變范圍和應(yīng)變分辨率。測試結(jié)果表明此應(yīng)變傳感器能夠在0～2 500 με的應(yīng)變范圍內(nèi)工作，傳感器的應(yīng)變響應(yīng)良好，其應(yīng)變靈敏度為7.6 Hz/με，經(jīng)過多次實驗也證實了該傳感器具有良好的穩(wěn)定性。此傳感器體積小、量程大、穩(wěn)定性好、分辨率高，可以實現(xiàn)對微小應(yīng)變的檢測，對檢測設(shè)備運行狀況、評估軸承受損狀態(tài)有重要意義，在工程應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。