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

(揚州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

自然界中，許多動物擁有感知周邊環(huán)境并做出反應(yīng)的能力，這對動物的生存起著至關(guān)重要的作用。昆蟲通過周圍氣流的變化感知天敵的位置[1]。老鼠通過觸須感知氣流的變化判斷危險[2]。貓利用貓須感知周圍環(huán)境，尋找獵物[3]。魚類需要感知系統(tǒng)(側(cè)線系統(tǒng))躲避天敵和捕食一些水中的小蟲子，通過側(cè)線系統(tǒng)感知水下物體的運動，從而達(dá)到追蹤和躲避的效果[4-5]。兩棲動物海豹利用胡須對水下情況進(jìn)行感知，以便鎖定魚群的位置，以及躲避鯊魚和虎鯨的追捕[6]。其感知系統(tǒng)的原理類似。受上述動物的啟發(fā)，2002年制備了第一個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]開始用聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電纖維開發(fā)了壓電式柔性流速傳感器，但靈敏度不高，且無方向性。2019年，蔣永剛等[11]仿魚類側(cè)線開發(fā)了基于壓電薄膜的水動力仿生柔性側(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]。實驗分析了此傳感器對水下激勵的響應(yīng)，通過激振源產(chǎn)生不同激勵的信號和此傳感器輸出的信號進(jìn)行對比，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，并以電信號的方式輸出。

經(jīng)過上述制備過程后，需對壓電纖維進(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，然后傳遞給大腦，海豹由此判斷水中物體的運動和方向。本文仿造海豹觸須結(jié)構(gòu)，設(shè)計制備了一個基于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物觸須的光纖代替(見圖3)，經(jīng)測試，光纖與動物的觸須相似度較高，這使傳感器具備更好的柔性。本文對傳感器在水下的感知性能進(jìn)行測試，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，用于方向性實驗，從而制備出可在水下進(jìn)行實驗測試的四電極PVDF壓電纖維柔性傳感器(見圖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

水生動物胡須由柔軟的毛組織構(gòu)成，當(dāng)受到刺激時毛組織會發(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)受到激勵時，傳感器中的光纖部分發(fā)生變形，帶動壓電纖維部分發(fā)生變形，傳感器受到激勵時的截面圖如圖5所示。激勵信號不同，產(chǎn)生的電信號不同，根據(jù)電信號可測試該傳感器的性能。

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，計算電極上產(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壓電纖維的長度；α為表面電極的包角；M(x) 為沿長度方向的彎矩；E為彈性模量；I為慣性矩；RC為表面電極的半徑；x為長度方向；θ為中心角。

作為傳感器使用時共有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驗

3.1 對不同激勵信號的感知

在充滿了水的水池(1.2 m×1 m×0.4 m)中進(jìn)行不同激勵信號下的感知實驗，激振器和激光位移傳感器通過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，實驗裝置圖如圖6所示。在激振器的正下方安裝10 mm的振動圓球，產(chǎn)生流體動力刺激，激振器施加正弦、三角、沖擊和方波振動位移，激振器的頻率為1 Hz,振幅為2 mm,將產(chǎn)生的電荷信號經(jīng)過電荷放大器放大后與激光位移器測得自由端位移信號一起由數(shù)據(jù)采集卡實時采集到電腦上，通過Labview和Origin對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。兩組電極受到正弦、三角、沖擊和方波激勵后，輸出的電荷信號和激光位移測得自由端位移信號如圖7所示。

圖6 實驗系統(tǒng)的照片

圖7 輸出電荷信號和激光位移測得自由端位移信號

由圖7可知，用不同波形進(jìn)行激勵時，因為激振源的運動方向和1、3組電極垂直，故在一次激勵作用下，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基本相同，兩組電極輸出的電荷信號和激振器輸出波形形狀一致，由此可知，此傳感器可實現(xiàn)對水下不同激勵信號的感知。

3.2 對不同速度的響應(yīng)

圖8為實驗裝置示意圖。圖中，激振源的頻率和幅值都可調(diào)節(jié)。本實驗中，激振源的頻率為2 Hz,振幅為1 mm。實驗開始時，傳感器的輸出信號由電荷放大器放大，信號可由濾波器進(jìn)行過濾，之后通過數(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)計計算，傳感器位于激振源的正下方，激振源的振動方向與傳感器的立柱垂直，通過改變激振源中心與傳感器柱體之間的距離來調(diào)整流速，傳感器檢測流速為

圖8 實驗裝置示意圖

(6)

式中：f為激振源的振動頻率；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，傳感器的兩組電極輸出信號發(fā)生變化，1、3組電極因為與激振源振動方向垂直，所以比2、4組電極輸出的電荷信號大。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，速度檢測極限可達(dá)0.15 mm/s，與其他此類傳感器相比，速度檢測極限提升較多。

圖9 兩組電極在不同流速時的電荷輸出

圖10 兩組電極電荷輸出與流速的關(guān)系

3.3 對水下運動物體方向的感知

在水下對此傳感器的方向性進(jìn)行測試，傳感器的底部安裝了一個可變角度的圓盤，實驗時，激振源的位置不發(fā)生變化，從0°開始轉(zhuǎn)動圓盤，每次變化10°，遞增到360°，輸出信號顯示為“8”字形，如圖11所示。由圖可看出，改變角度γ時，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，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。因為1、3組電極與激振器振動的方向平行，而2、4組電極與激振器振動的方向垂直。由圖11還可看出,一組電極中對稱的角度受到激勵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，對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提供了可能性。

圖11 兩組電極方向性檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以水生動物的觸須為靈感，設(shè)計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水下情況的感知性能(包括對不同激勵信號感知、水動力感知及方向性感知)。用激振器輸出正弦、三角、沖擊和方波信號在水下固定位置進(jìn)行激勵，測試制備的傳感器對水下不同信號的感知性能，經(jīng)測試此傳感器具備對水下不同激勵的準(zhǔn)確感知。在對水動力感知性能中，改變激振源到傳感器的距離調(diào)整流速，計算出傳感器檢測到的流速大小，此傳感器的靈敏度為0.06 pC/(mm·s-1)，量程為0.15～98.7 mm/s，可檢測的速度檢測極限是0.15 mm/s，與其他檢測流速的傳感器相比，靈敏度較高，檢測極限較小。在一固定點處激勵，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，說明制備的傳感器具有良好的方向感知能力。