基于MSE/PVDF復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速傳感器的研究

居本祥,周光銀,呂 冰

(1.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400054;2.重慶大學(xué)生物工程學(xué)院,重慶 400044;3.青島科技大學(xué)自動化與電子工程學(xué)院,山東青島 266044)

0 引言

隨著應(yīng)用范圍的拓展,轉(zhuǎn)速傳感器也發(fā)展出了眾多的種類,典型的如磁電式、磁敏電阻式、霍爾效應(yīng)式、光電式、電容式、電渦流式等[1-4]。

本研究探索將MSE的磁敏特性與PVDF的正壓電效應(yīng)相結(jié)合構(gòu)建復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于轉(zhuǎn)速傳感器。MSE也可稱為磁流變彈性體(MRE),是磁流變材料家族中具有代表性的成員之一,與其他磁流變材料不同的是MSE采用橡膠類材料作為軟磁顆粒分散填充的基體,且同時具有磁流變材料響應(yīng)快(ms級)、可逆性好、磁控性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。PVDF作為一種半晶體聚合物,已有研究表明PVDF壓電薄膜的壓電系數(shù)遠(yuǎn)高于其他壓電材料,且柔順性好,質(zhì)量輕,靈敏度高,頻帶寬,聲阻抗低[9-11];因而近年來PVDF在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、振動及力學(xué)傳感等領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用[12-14]。本文從工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā),以MSE/PVDF復(fù)合結(jié)構(gòu)為核心的傳感器敏感單元,在測試旋轉(zhuǎn)磁場的激勵下,通過MSE產(chǎn)生的磁致法向力作用于PVDF,激發(fā)其正壓電效應(yīng),從而感知被測轉(zhuǎn)速量。

1 傳感器工作原理

1.1 MSE磁致法向力

MSE主要由硅橡膠基體與軟磁顆粒組成,在預(yù)結(jié)構(gòu)化作用下其內(nèi)部的軟磁顆粒呈現(xiàn)鏈狀或柱狀組織結(jié)構(gòu)排列,結(jié)構(gòu)的方向由預(yù)結(jié)構(gòu)化磁場方向決定。已有研究證明:在外磁場作用下,MSE因內(nèi)部顆粒組織結(jié)構(gòu)間的作用將產(chǎn)生垂直于表面的磁致法向力,該力(FN)可表示為[15]

(1)

式中:S為MSE表面積;d0與d為相鄰軟磁顆粒初始及當(dāng)前間距;φ為顆粒含量;ξ≈1.202;V為單顆粒體積;μ0與μm為真空及基體相對磁導(dǎo)率;Ms為飽和磁化強(qiáng)度。

本研究建立的MSE磁致法向力表征系統(tǒng)及測試結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 MSE磁致法向力表征系統(tǒng)

圖2 測試夾具與電磁發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

圖3 MSE磁致法向力測試結(jié)果

圖1中可編程線性電源激勵電磁發(fā)生器產(chǎn)生不同強(qiáng)度的測試磁場,直流穩(wěn)壓電源為力傳感器提供激勵電壓,力傳感器經(jīng)變送放大器進(jìn)行信號放大后通過數(shù)據(jù)采集卡記錄并存儲測試數(shù)據(jù)。由圖2可知MSE測試樣品被置于磁極及平行板夾具之間,并展示了電磁發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及磁路分布情況。

測試中設(shè)置了5 N的初始預(yù)壓力以充分夾持樣品,圖3明確了MSE磁致法向力與測試磁場間的關(guān)系,即隨著磁場的增強(qiáng)而增大,由于MSE內(nèi)部結(jié)構(gòu)中軟磁顆粒沿磁場方向被極化,顆粒間產(chǎn)生強(qiáng)相互作用力,同時擠壓周邊橡膠基體,兩者共同作用致使宏觀表現(xiàn)為對外產(chǎn)生磁致法向力。在激勵磁場達(dá)到500 mT時,法向力出現(xiàn)了磁飽和的現(xiàn)象,這與MSE磁滯回線測試結(jié)果表現(xiàn)一致。另外,通過可編程電源設(shè)置不同周期的方波勵磁電壓,產(chǎn)生占空比50%的方波激勵磁場(幅值500 mT),得到的力傳感器輸出信號如圖4所示。可知得到的響應(yīng)輸出電壓與激勵的變化趨勢高度一致,表明MSE的磁致法向力具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性。

(a)測試間隔:1 s

(b)測試間隔:2 s

(c)測試間隔:5 s

(d)測試間隔:10 s圖4 MSE在方波磁場作用下的力傳感器輸出信號

1.2 PVDF正壓電效應(yīng)

本研究中的復(fù)合結(jié)構(gòu)利用了PVDF的正壓電效應(yīng),其實(shí)驗(yàn)測試如圖5所示。

圖5 PVDF彎曲形變測試

圖5在PVDF壓電單元上通過鑷子施加作用力使其發(fā)生動態(tài)彎曲形變,通過外部電荷放大及電壓轉(zhuǎn)換模塊得到圖6測試輸出結(jié)果,顯示正壓電效應(yīng)顯著。形變時PVDF薄膜內(nèi)部的正負(fù)電荷中心將發(fā)生移動,在其上下表面產(chǎn)生了極性相反、大小相等的束縛電荷。此時可把它看成兩極板上聚集異性電荷,中間為電介質(zhì)的電容器。期間當(dāng)作用力消失后,電容迅速放電,薄膜再次恢復(fù)到電中性狀態(tài)。

圖6 PVDF壓電單元測試結(jié)果

1.3 MSE/PVDF復(fù)合結(jié)構(gòu)作用機(jī)理

敏感單元中復(fù)合結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理如圖7所示。

圖7 復(fù)合結(jié)構(gòu)作用示意圖

在磁場作用下,MSE將產(chǎn)生磁致法向力作用于壓電單元端部,使PVDF壓電薄膜產(chǎn)生彎曲變形,PVDF壓電薄膜的正壓電效應(yīng)將在X軸與Z軸方向上產(chǎn)生,根據(jù)第一類壓電方程:

(2)

結(jié)合圖7可知PVDF工作在d31與模式d33,引起的電位移D可簡化表示為

D=d31σ1+d33σ3

(3)

式中:σ1與σ3為應(yīng)力,由磁致法向力FN決定,即

(4)

式中:h、w、l分別為壓電薄膜厚度、寬度及長度。

則產(chǎn)生的電荷為

(5)

式中A為其上下表面正對電極區(qū)域的面積。

壓電薄膜在圖8模型中可等效為一個電荷源,其中K為運(yùn)算放大器的增益,Cc為電纜電容,Ca為壓電薄膜電容,Ci為放大器的輸入電容,Cf為反饋電容,由放大器的基本特性,可得輸出電壓(Uo)為

(6)

圖8 等效電路模型

由于K一般取值很大,式(6)可簡化為

(7)

結(jié)合式(5)綜合可得:

Uo=GFN

(8)

(9)

當(dāng)Cf為確定值,Uo不僅與壓電薄膜產(chǎn)生的電荷成正比,且與磁致法向力之間存在線性關(guān)系。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 磁敏材料MSE

MSE作為復(fù)合結(jié)構(gòu)中的磁敏材料,基體采用雙組分加成型室溫硫化硅橡膠(型號:HT-9825,深圳宏圖硅膠科技有限公司);軟磁填充材料為羰基鐵粉顆粒(型號:SQ,巴斯夫股份公司);在NdFeB永磁場(800 mT)中預(yù)結(jié)構(gòu)化,樣品尺寸為10 mm×5 mm×1 mm,軟磁顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%。通過掃描電子顯微鏡(型號:Gemini360,卡爾蔡司股份公司)與振動樣品磁強(qiáng)計(型號:8604,美國Lakeshore Cryotronics,Inc.)分別對MSE的微觀結(jié)構(gòu)及磁學(xué)性能進(jìn)行表征,結(jié)果如圖9與圖10所示。

圖9 MSE微觀結(jié)構(gòu)

圖10 MSE磁滯回線測試結(jié)果

圖9顯示MSE內(nèi)部軟磁顆粒組織結(jié)構(gòu)排列取向沿著預(yù)結(jié)構(gòu)化磁場方向,圖10中磁滯回線測試表明了激勵磁場超過500 mT后變化明顯放緩,甚至停滯,即出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象。

2.2 PVDF壓電單元

PVDF壓電單元作為復(fù)合結(jié)構(gòu)的一部分,其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖11所示。

圖11 PVDF壓電單元結(jié)構(gòu)示意圖

壓電單元的核心部分采用厚度為28 μm的PVDF壓電薄膜材料,使用導(dǎo)電銀漿絲印工藝在壓電薄膜的上下表面制作電極,通過壓接方式分別在每個電極上引出一個接線端子。最后將上述元件粘接封裝于聚酰亞胺絕緣薄膜內(nèi),既可以起到壓電單元對外絕緣作用,又能有效保護(hù)PVDF與電極。

2.3 敏感單元設(shè)計

傳感器的敏感單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。

圖12 敏感單元結(jié)構(gòu)示意圖

在敏感單元中,MSE與PVDF壓電單元組成復(fù)合結(jié)構(gòu),壓電單元一端與上下固定塊連接,形成固定端,另一端上表面與MSE下表面粘接,MSE上表面與上保護(hù)殼下表面粘接固定;上下固定塊的外表面粘結(jié)在上下保護(hù)殼之間,上下保護(hù)殼將復(fù)合結(jié)構(gòu)組件封裝于其內(nèi)部,對外僅引出一對引腳端子。

2.4 傳感器主體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的基于MSE/PVDF復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速傳感器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)支架通過3D打印技術(shù)制成,其側(cè)面為U型結(jié)構(gòu),正方形凹槽設(shè)置在支架的上下兩端,在凹槽中安裝相同數(shù)量的永磁體,上端永磁體的N極正對下端永磁體的S極,形成穩(wěn)定分布的永磁場,敏感單元被置于永磁場的兩極之間,且與兩極的間距相等;轉(zhuǎn)速傳感器主體結(jié)構(gòu)分為動態(tài)組件與靜態(tài)組件,其中旋轉(zhuǎn)支架與NdFeB永磁體構(gòu)成動態(tài)組件;相對于運(yùn)動部件,敏感單元被設(shè)定為靜態(tài)組件。

3 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

針對文中所提設(shè)計的轉(zhuǎn)速傳感器,建立相應(yīng)的傳感器實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖14所示。

圖14 傳感器實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

圖中的旋轉(zhuǎn)支架與永磁體構(gòu)成動態(tài)組件與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接,敏感單元作為靜態(tài)組件固定在磁極的中間位置,永磁場大小為470 mT,直流穩(wěn)壓電源-1為轉(zhuǎn)換模塊提供激勵電壓,直流穩(wěn)壓電源-2為電機(jī)驅(qū)動器提供驅(qū)動電壓,電機(jī)控制器可控制實(shí)驗(yàn)所需的測試轉(zhuǎn)速。PVDF壓電單元兩引腳與轉(zhuǎn)換模塊連接,可實(shí)現(xiàn)電荷放大與輸出電壓信號轉(zhuǎn)換。為測試傳感器的輸出特性,設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速為480 r/min,傳感器的時域輸出信號如圖15所示。

圖15(a)是在周期性磁場激勵下獲得的傳感器時域響應(yīng)信號,輸出信號呈現(xiàn)較一致的周期性變化特征,當(dāng)敏感單元與永磁體位置重合時,MSE內(nèi)部顆粒瞬間被極化產(chǎn)生磁致法向力,擠壓PVDF壓電單元彎曲變形產(chǎn)生正壓電效應(yīng),傳感器對外輸出一個電壓峰值信號;圖15(b)是從圖15(a)中提取的任一單周期輸出信號,因?yàn)镸SE是橡膠類基體,當(dāng)永磁場遠(yuǎn)離敏感單元后表現(xiàn)出了典型的彈性回復(fù)特征,兩峰值間的信號即為一個完整的輸出周期,可求得時間間隔T=0.125 s。傳感器只設(shè)計了一對永磁結(jié)構(gòu),電機(jī)轉(zhuǎn)動一周即輸出一個電壓峰值信號,單位時間內(nèi)輸出電壓周期性峰值數(shù)量即表示被測轉(zhuǎn)速。由圖15(a)可求得輸出信號所表示的被測轉(zhuǎn)速為480 r/min,與電機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速相吻合。為進(jìn)一步測試對轉(zhuǎn)速量的檢測準(zhǔn)確性,采用更高的測試轉(zhuǎn)速與霍爾傳感器的輸出信號作對比,結(jié)果如圖16所示。

設(shè)置測試轉(zhuǎn)速為1 920 r/min,圖16(a)為設(shè)計傳感器的輸出電壓信號,通過提取每周期的電壓峰值信號得到的峰值散點(diǎn)圖如圖16(b)所示;另外將相同測試條件作用于霍爾傳感器獲得的輸出信號如圖16(c)所示,該信號也表現(xiàn)出明顯的周期性峰值特征,對其峰值提取所得結(jié)果如圖16(d)所示,兩傳感器單位時間內(nèi)的峰值點(diǎn)完全相同,說明所設(shè)計傳感器可以準(zhǔn)確表征被測裝置轉(zhuǎn)速量。

(a)MSE/PVDF傳感器

(b)MSE/PVDF傳感器峰值散點(diǎn)圖

(c)霍爾傳感器

(d)霍爾傳感器峰值散點(diǎn)圖圖16 MSE/PVDF傳感器與霍爾傳感器輸出信號對比

控制電機(jī)轉(zhuǎn)速在480～1 920 r/min,研究在不同測試轉(zhuǎn)速下傳感器的信號輸出情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。

(a)480 r/min測試結(jié)果

(b)960 r/min測試結(jié)果

(c)1 440 r/min測試結(jié)果

(d)1 920 r/min測試結(jié)果圖17 不同測試轉(zhuǎn)速下傳感器的輸出信號

以480 r/min為間隔的輸出電壓時域波形,在不同轉(zhuǎn)速測試下均出現(xiàn)了與測試設(shè)定值相匹配的周期性峰值電壓信號輸出。隨著被測轉(zhuǎn)速的增大,傳感器輸出電壓峰峰值出現(xiàn)了增長的趨勢,不同測試轉(zhuǎn)速相當(dāng)于給MSE提供了不同頻率的激勵磁場,即軟磁顆粒間將產(chǎn)生相應(yīng)頻率的磁作用力,硅橡膠基體受到周邊顆粒的擠壓作用,隨著激勵頻率的提升,橡膠分子鏈回復(fù)運(yùn)動難以跟隨激勵頻率的變化,促使顆粒間結(jié)合更加緊密,對外產(chǎn)生更強(qiáng)的磁致法向力作用于PVDF壓電單元,致使輸出電壓信號峰峰值增大,周期峰值特征愈加明顯,由此可見傳感器對于中高轉(zhuǎn)速具有良好的檢測能力。

4 結(jié)論

本文提出一種以MSE/PVDF復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建敏感單元核心的轉(zhuǎn)速傳感器,在分析工作原理的基礎(chǔ)上設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,通過研究得到以下結(jié)論:組成傳感器敏感單元復(fù)合結(jié)構(gòu)的MSE磁致法向力在磁場作用下增長明顯,并擁有良好的動態(tài)磁響應(yīng)特性,且在500 mT時出現(xiàn)磁飽和;結(jié)合PVDF的動態(tài)彎曲形變輸出,通過對比實(shí)驗(yàn)表明所研究的傳感器具有與霍爾傳感器完全匹配的輸出電壓峰值響應(yīng),且可實(shí)現(xiàn)對不同實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確檢測;不同測試轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該傳感器可有效針對中高轉(zhuǎn)速量的檢測。