表面半电极含金属芯PVDF纤维振动传感特性研究

丁　煜　　刘榕榕　　胡振耀　杨　俭　　李先良　　边义祥

（扬州大学　机械工程学院，扬州 225127）

表面半电极含金属芯PVDF纤维振动传感特性研究

丁煜刘榕榕胡振耀杨俭李先良边义祥

（扬州大学机械工程学院，扬州 225127）

模仿蜘蛛等昆虫的毛发感受器结构，在制备好的含金属芯PVDF纤维的一半纵向表面均匀涂镀导电银浆用作表面电极，极化之后制备成表面半电极含金属芯PVDF纤维（HMPF）振动传感器。将HMPF粘贴在基体上形成悬臂梁结构的HMPF振动传感器。建立悬臂梁结构HMPF的振动传感模型，并搭建实验系统进行验证。理论和实验结果表明，HMPF可以感知基体振动的幅值和频率，并具有明显的振动方向感知能力，具有广泛的工程应用前景。

压电纤维金属芯表面电极振动传感器

引言

蟋蟀能够用尾部上纤维状的毛发感受器感知周围环境的气流变化，传递捕食者、寄生虫或求偶等信息。气流振动引起毛发的偏离，毛发偏离方向可以指示其它动物逼近的方位，判断来犯天敌的追捕方向。墨西哥红尾捕鸟蛛步足的腿节和胫节上，着生许多纤细柔软的丝状的听毛（trichobothrium）和其它纤毛。其中听毛表面光滑，数量少，几乎以直立的角度自触肢及步足表面的毛窝中伸出，从而容易与其他毛相区别［1］，听毛是蜘蛛步足上的一种感觉毛，内连神经树突末稍，有听觉、在网上定位、探测气流和保持肌肉紧张的功能［2］。最初，听毛一直被认为是蜘蛛的听觉感官，但后来经过研究发现，听毛是蜘蛛一种远距离感知周围气流波动和低频率空气震荡的触感器官［3］。大自然中的动植物一直是人们创新和进步的灵感源泉，越来越多的研究者将目光聚焦在振动传感器的研究上。随着机器人的大量开发和使用，各种可以应用于机器人的传感器也开始获得研究和发展［4］。其中能够感知机器人不同部位受到的振动和冲击的振动传感器显得尤为重要。要求这种传感器能够感知机器人受到的振动和冲击的方向和幅值。而模仿昆虫的毛发感受器的机制制备的人工毛发传感器，可以满足用于机器人的振动传感器的要求［5，6］。压电传感器由于体积小、质量轻、响应速度快、频响范围宽、具有直接的机电转换性能，在振动测试领域，已经获得了广泛的研究与应用［7］。在传感器技术不断向微型化、集成化和多功能化的发展趋势下，压电薄膜、压电纤维等新型结构器件是目前压电传感器的重要研究方向［8］。HMPF用来模仿毛发感受器，不仅要研究其气流传感特性，还要建立其低频振动传感理论模型，了解单根纤维的振动传感性能。

本文将研究表面半电极含金属芯PVDF压电纤维（HMPF）的振动传感特性。悬臂梁结构的HMPF，可以通过两电极的电压变化，得知本身的弯曲变形，从而测量出所施加的外部振动激励。

1 HMPF的制备

我们在熔融挤压法的基础上研究制备了新的模具，并且成功制备含金属芯PVDF压电纤维。我们的制备方法创造性的将金属丝钼丝预先放置到PVDF的挤出路径中，并且准确控制两者之间的运动速度，从而可以成功制备出PVDF压电纤维。挤压装置示意图如图1所示。传统的熔融纺丝法受到设备的影响，很难将金属丝植入到纤维中；参考文献［9］中提到的母体拉伸法受PVDF本身性能的影响很难将尺寸做到很小，PVDF所能承受的拉伸倍数也有限；参考文献［10，11］中提到的拉伸法由于缺乏应力应变条件导致PVDF拉制不成功，出现颈缩现象，且几乎不具有压电性。

图1制备PVDF纤维的装置示意图

截取一段拉制好的PVDF纤维，在其纵向表面均匀涂镀一半电极，导电银浆采用使用Hong Kong Yi Hui group生产的YH-A001导电银浆，待导电银浆完全固化之后，把纤维浸入甲基硅油中进行极化。在100℃温度下，外加100V电压极化60分钟后，随甲基硅油缓慢冷却至室温。极化时，中间的金属丝作为正极使用，表面导电银浆电极作为负极使用。制备好的HMPF实物如图2所示。

2 HMPF的振动传感理论模型

HMPF的纵向外表面电极包角α为180°。极化后的HMPF，可以认为外表面喷镀电极的压电陶瓷部分，其极化方向为沿着径向分布；而HMPF外表面没有喷镀电极的压电陶瓷没有压电效应，HMPF的横截面示意图如图3所示。将HMPF固定在基体上，形成一端固定，一端自由的悬臂梁结构，如图4所示。

图2 HMPF的横截面及纵向表面图

图3 HMPF的截面图

图4悬臂梁结构HMPF示意图

HMPF作为振动传感器时，一端固定在振源上，一端自由，呈悬臂梁结构，此时认为在直径方向能自由伸缩，由于HMPF的长度一般是直径的几十倍，其圆周方向和切向的应力可以忽略。在外加均布载荷后，HMPF的应变和电位移的边界条件可以分别表示为：

当基体受到的激励为冲击振动时，悬臂梁的固定端位移为

其中U0为初始振幅，τ为时间常数。其等效的均布力为

代入式（12），得到HMPF的表面电极电荷为［12］：

其中，和分别表示HMPF的半径和中间金属芯半径，振动方向和纤维中线之间的夹角为γ。

3悬臂梁结构HMPF的振动冲击响应

为了测量HMPF的振动冲击响应，建立如图5所示的实验系统，如图6所示把HMPF样品（参数为Rc=0.3mm，Rm=0.08mm，L=10mm，α=π/2），一端通过夹具固定于HEV-50激振器的激振头上，另一端自由，形成悬臂梁结构。工控机通过IPC-1716数据采集卡，采集HMPF产生的电压信号。在激振头上方安置LK-H020激光位移传感器，测量振动时激振头的位移，位移信号也由数据采集卡同步采集。

图5实验系统

图6固定在激振头上的HMPF

给激振器上夹具施加一个振动冲击后，激光位移传感器输出一个信号，同时HMPF页输出一个信号，如图7和图8所示。

图7受到冲击振动时激振头的位移

图8悬臂梁HMPF冲击振动响应

我们制备的HMPF振动传感器对基体位移作出的响应时间只比激光位移传感器晚了0.2112秒，可见HMPF振动传感器的振动传感器性能是比较优秀的。考虑到HMPF的成本和后续优化，相信HMPF的传感性能可以得到进一步提升。

3.1振幅递增条件下的振动冲击响应

改变冲击幅值，测试在不同冲击幅值下HMPF的输出信号和冲击幅值之间的关系。将冲击幅值作为横坐标，提取相应幅值下HMPF输出信号的峰值作为纵坐标，在坐标系中作出HMPF输出信号和外加激励幅值之间的关系，如图9所示。

图9 HMPF输出信号和外加激励幅值之间的关系

从图8我们可以看出，HMPF输出信号和外加激励幅值之间基本成线性关系，这也符合（5）中的Q和U0之间的关系，说明HMPF可以很好地感知基体的振幅。

3.2振幅不变冲击角度变化下的振动冲击响应

在如图4所示的实验系统基础上，控制激振器激振头振动幅值不变，改变HMPF的安装角度，即改变的振动方向γ的值，测试HMPF感知振动方向的性能。将冲击角度γ作为横坐标，提取相应简谐激励下HMPF输出信号的峰值作为纵坐标，在坐标系中作出HMPF输出信号和冲击角度γ之间的关系，结果如图10所示。HMPF输出信号和冲击角度γ之间的关系也可以在极坐标中表示出来，如图11所示。

图10 HMPF输出信号和冲击角度γ之间的关系

图11 HMPF输出信号和冲击角度γ极坐标下的关系

从图9我们可以看出，HMPF输出信号和冲击角度γ之间基本成余弦关系，在γ这也符合（5）中的Q和γ之间的关系，极坐标下HMPF输出信号和冲击角度γ之间呈明显的“8”字图，说明HMPF可以很好地感知振动方向。

4结论

本文基于压电方程和振动学理论，推导了悬臂梁结构HMPF的固定端受到振源激振时，两电极产生的电压值，是HMPF作为电压型振动传感器的理论模型。搭建了测试悬臂梁结构的HMPF实验系统，测量了样品HMPF的振动冲击响应，验证了HMPF振动传感性能。该理论研究和实验结果有利于促进HMPF作为振动传感器件的应用以及相应的压电类传感器的研发应用。

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TheVibrationSensingPerformanceStudyon Half-coated Metal Core Piezoelectric Fiber（HMPF）

DING Yu，LIU Rongrong，HU Zhenyao，YANG Jian，LI Xianliang，BOAM Yixiang*
（Yangzhou University college of mechanical engineering，Jiang su Yangzhou 225127）

Imitating hair receptor structure of insects，such as spider，coating half of the longitudinal surface of the prepared metal core PVDF fiber with the conductive silver evenly which was used as a surface electrode，half-coated metal core piezoelectric fiber（HMPF）vibration sensor was prepared after polarization.Pasting HMPF on the matrix to form a cantilever beam structure vibration sensor.The vibration sensing model of the cantilever beam structure HMPF was established，and the experimental system was set up to test the theoretical model. The theoretical and experimental results showed that HMPF can perceive the matrix vibration amplitude and frequency，and has an obvious vibration direction sensing performance，which has a wide prospect of engineering application.

piezoelectric fiber，metal core，surface electrode，vibration sensor