表面部分电极含金属芯压电纤维气流传感特性研究*

夏咸龙，周桂祥，边义祥，王昌龙

（扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127）



表面部分电极含金属芯压电纤维气流传感特性研究*

夏咸龙，周桂祥，边义祥*，王昌龙

（扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127）

摘要：含金属芯压电纤维可以模仿昆虫的毛发感受器，感知周围环境的气流变化。在含金属芯压电纤维的部分纵向表面涂镀电极，制备了表面部分电极含金属芯压电纤维传感器PMPF（Partial electrode of Metal core Piezoelectric Fiber）。基于平均电荷法，建立了悬臂梁结构PMPF准静态气流传感模型，分析了PMPF产生的电荷值与表面电极分布角度、纤维长度、气流流速和气流方向的关系。搭建了实验系统，测试了PMPF对冲击气流的响应，验证了理论模型。结果表明，PMPF的传感信号和气流流速成指数关系，和气流方向成“8”字形关系。PMPF具有气流速度和方向的传感性能。

关键词：压电纤维；金属芯；表面电极；气流传感

蟋蟀能够用尾部纤维状的毛发感受器，感知周围环境微弱的气流变化，获得天敌、猎物或求偶者等信息。毛发的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，躲避天敌的追捕［1］。从图1中昆虫毛发感受器的内部结构可以看出，蟋蟀的毛发感受器中，悬臂梁结构的纤毛一端自由，另一端固定在角质膜上，并和神经元相连。当气流流经纤毛时，由于气流的作用，引起纤毛发生弯曲变形，这种弯曲变形传递给神经元，使神经元产生刺激信号。大脑通过神经元的刺激信号，来判断周围气流的变化情况，并作出相应的反应。蟋蟀的毛发感受器种类很多，每个感受器的神经元只对该毛发的特定方向变形产生刺激信号；由于其毛发感受器的纤毛长度范围从不少于50 μm～1 500 μm长，对一定范围内的低频声波特别敏感，可以感知最小为30 μm/s的气流波动［2-3］，如图2所示。

图1　昆虫毛发感受器的内部结构

图2　蟋蟀尾毛感知系统

自然界生物的毛发感受器，是一个巨大的人工模仿流量传感器的灵感来源。全面了解生物传感系统，包括他们的感知能力、传感组件、传感原理、信息处理，以及影响其灵敏度的特点如几何形状和分布，可以帮助该领域研究者开发、设计仿生流量传感器，或仅需一个高级模仿方法就可以实现高性能的仿生流量传感器［4］。

最近几十年，一些研究者模仿昆虫的毛发感受器，设计和制备了一些人工毛发传感器，用于感知周围气流的变化情况，其中电容式和压阻式是较为成熟的设计方案。Chen N N等把悬臂梁底部和一个微型可变电容相连，通过测量电容值的变化，计算出流经悬臂梁的气流大小［5］。Stocking等也利用电容感应原理开发了仿生气流传感器，悬臂梁的底部采用一种膜结构提供阻尼和恢复力［6］。Barbier等设计了具有柔性基底的电容式毛发传感器［7］。Sar⁃les等使用脂质双层膜制备毛发传感器的底部［8］。

压阻式仿生毛发气流传感器中，用MEMS技术制备的悬臂梁的根部和电阻应变片相连。气流经过悬臂梁时，悬臂梁的弯曲偏转引起根部应变片的电阻发生变化，通过惠斯通电桥测量出测量电阻变化值，可以计算出悬臂梁的弯曲程度，把多个这样的仿生气流传感器排列成阵列，也可以测量气流的方向和大小［9-10］。

上述电容式或是压阻式仿生气流传感器，都是通过测量电容或电阻的变化，间接测量悬臂梁的弯曲变形，反映周围气流的变化和接受低频振动信号。而压电材料具有直接的机电转换性能，如果模仿昆虫的毛发感受器，做成纤维形状的悬臂梁传感器，就可以通过直接测量悬臂梁的弯曲变形，计算出周围气流的变化情况。

现有的压电器件中，单根纤维形状的压电传感器有含金属芯PVDF纤维、压电陶瓷纤维和含金属芯压电陶瓷纤维［11］。Kechiche M B等用模具挤压熔融状态的PVDF，冷却后PVDF包裹在铜丝上，并在PVDF的表面真空喷镀上一层金用作表面电极，制备出含金属芯PVDF压电纤维［12］。Junliang Tao等在压电陶瓷纤维的表面全部涂镀上金属层后，用光刻的方法去除纵向2片窄带后，做成2片表面电极，经极化后，做成悬臂梁结构压电陶瓷纤维传感器［13］。经过实验验证，表明这种传感器具有很好的方向传感性能。

如果压电陶瓷纤维中含有金属芯，则可以克服陶瓷材料的脆性，延长纤维的使用寿命、扩大纤维的使用范围。这种含金属芯的压电陶瓷纤维称为MPF（Metal Core Piezoelectric Fibers）。在MPF中，金属芯位于纤维的中心位置，周围是圆柱状的压电陶瓷。其中金属芯可以用作一个电极，而喷镀在纤维表面的金属层可以用作另一个电极，这样，单根MPF就可以用作传感器或驱动器。

Hiroshi Sato等［14-16］用水热法制备的MPF中，直径为150 μm钛线表面覆盖平均厚度为20 μm、晶粒大小为5 μm～10 μm均匀的PZT层。用水热法制备的MPF中PZT层较薄，适合用作传感器。Jinhao Qiu和Gael Sebald等［17］把泥状的PMN-PZT用模具挤压后，包裹在铂金丝上，经过高温烧结后在表面喷镀金属层，极化后做成MPF传感器和驱动器。Hiro⁃shi Sato等［18］也用挤压法制备出MPF传感器。

Jinhao Qiu等［19-20］在MPF的一半纵向表面喷镀金属层，做成半电极含金属芯压电陶瓷纤维HMPF （Half Coated Metal Core Piezoelectric Fiber）。极化时，HMPF中只有表面覆盖电极的压电陶瓷部分被极化，具有压电性，而表面没有电极部分不具有压电性。HMPF用作传感器时，可以根据表面电极上产生的电荷，计算弯曲变形程度。基于这种传感性能，HMPF可以用作气流传感器，感知气流的大小。HMPF用作弯曲传感器时，只有一半的压电陶瓷用作换能材料，效率较低，传感器输出信号较小，HMPF传感器的灵敏度不高［21］。

本文模仿生物的毛发感受器设计并制备了表面部分电极含金属芯压电纤维PMPF（Partial elec⁃trode of Metal core Piezoelectric Fiber），建立了悬臂梁结构PMPF气流传感理论模型，并搭建实验系统，测试了PMPF对气流大小和方向的传感能力，验证了理论模型。

1　PMPF的设计和制备

1.1PMPF的结构和制备

PMPF的结构如图3和图4所示，截面为圆形的铂金丝位于中间位置，圆环形状的压电陶瓷包裹在铂金丝周围，在压电陶瓷纵向表面喷镀1片金属薄层。在以前的工作中，我们采用挤出法制备的含金属芯压电陶瓷纤维，可以制备较长的纤维。但是工艺过程比较复杂，准备和制备时间较长，成品率不高。在本文中，纤维是用作气流传感器，所需长度较短。为了提高制备效率，缩短制备时间，采用简化工艺如图5所示，把PZT5粉末和铂金丝放入模具，压制后制成纤维胚体，再经过1 100°C高温烧结后成形。

图3　PMPF的外形图

图4　PMPF的截面图

图5　含芯陶瓷纤维的制备流程

2　PMPF的气流传感模型

当有垂直于悬臂梁结构PMPF方向的气流经过时，将在纤维表面产生一个均布载荷作用，纤维弯曲变形，由于压电效应，在表面金属层电极和中间金属芯电极上产生电荷，如图6和图7所示。通过测量电荷的极性与大小，得知气流的来向与速度，从而以此建立PMPF作为气流传感器的理论模型。

图6　PMPF作为气流传感器结构图

图7　PMPF作为气流器的截面图

2.1压电方程

PMPF的压电陶瓷极化部分在圆柱坐标下的压电方程可以表示为：

其中的S是应变，T是应力，D是电位移，E是电场强度，s是弹性柔顺系数，d是压电常数，ε是介电常数。

当气流吹向悬臂梁结构的PMPF时，纤维表面会产生一个均布载荷F作用，其弯矩M为

如图6所示，PMPF作为气流传感器时，呈悬臂梁结构，此时认为PMPF在直径方向能自由弯曲，由于PMPF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，PMPF的应变和电位移的边界条件可以分别表示为：

把式（4）～式（6）代入到式（1）和式（2）中，得到；

由于PMPF的长度远大于直径，可认为弯曲时PMPF在轴向上各部分的曲率半径相同，都为κ，则；

式中，E表示纤维的弹性模量，I表示纤维的惯性矩。

在PMPF的在表面电极Rc，，θ处的应变为；

将式（9）代入式（7）得电位移：

纤维表面电极上的电荷可以表示

将式（10）中的电位移代入（11）中，得：

把压电陶瓷极化部分和未极化部分的对称轴定为y轴。纤维纵向表面涂镀了一层圆弧角度为α的金属层电极，该电极的两边界以y轴对称，气流的来向与y轴的夹角γ，如图7所示。

如图6，悬臂梁结构PMPF放置一均匀流场中，气流对PMPF的作用可以看做在纤维上施加了一个均布载荷p，该均布载荷p可表示为

式中，U0表示相对于纤维的气流速度；R为圆柱体的截面半径；ρair为空气的质量密度，CD表示阻力系数。

气流的来向与y轴成夹角γ，如图7所示，垂直与圆型截面纤维极化方向的载荷分量psinγ，产生的压电效应可以忽略。则PMPF电极上产生的电荷为

式中，U0表示相对于柱体的气流速度；R表示圆柱体的截面半径；ρair表示空气的质量密度，CD表示阻力系数；γ为气流的来向与y轴所成角度。

电荷Q的大小和阻力系数CD成线性关系，和气流速度U0的平方成线性关系。由于阻力系数和气流速度也有关系，在综合作用下，电荷和气流速度成指数关系。电荷和气流的方向γ成余弦关系，和表面电极的包角α的一半成正弦关系。

3　PMPF气流传感实验

3.1气流传感实验平台

为了测试纤维对不同速度和方向的气流的电荷响应，测试平台搭建如图8所示。PMPF气流传感实验平台。在这个实验中，我们风洞实验使用一个小型风洞装置产生层流，对PMPF产生气流激励；PMPF受气流激励后，两电极间的电荷输入到电荷放大器；电荷放大器输出正比于电荷量的电压值到数据采集卡；数据采集卡将模拟量转换为数字量，经工控机上的相关软件对信号分析处理，得到PMPF对气流激励的电荷响应情况，实验流程图如图9所示。

图8　PMPF气流传感实验平台

图9　实验流程图

3.2PMPF的静态气流传感实验研究

3.2.1静态气流传感实验方法

静态传感实验是指受到突然施加的气流激励时，PMPF所产生的响应。这种情况符合昆虫的实际行为特点，即受到天敌的突然袭击时，通过毛发感受器感受周围的气流变化，判断出天敌的追捕方向后逃之夭夭。为了给PMPF施加静态气流激励，我们在小型风洞进气口与风洞收缩区之间侧面壁上制作一细长的开口，可以自由插入和抽出与风洞截面大小接近的挡板，如图10所示。当风机工作平稳后，快速地抽出已从侧面插入的挡板，气流通过，给PMPF施加了一个恒定速度的准静态气流激励。

图10　风洞静态实验装置图

本文选用尺寸参数为Rc=2 mm，Rm=0.5 mm，L=18 mm，α=5π/6，样品PMPF来进行气流静态传感实验，同样保持表面金属层电极正对于气流来向，即γ=0。当风机平稳工作时，快速抽离挡板时，PMPF与风速传感器输出的信号如图11所示。

图11　抽离遮板时，PMPF与风速传感器的信号输出

我们从数据采集4 s后，开始抽离挡板。从图11可看出，风速传感器从PMPF做出响应1s后，开始信号输出，大约10 s后输出平稳；PMPF对一个突然施加的准静态激励可以快速做出响应。经过0.5 s（暂不考虑从气流达纤维表面到气流速度平稳间的时间）PMPF两电极间的电荷值从0到最大值1.607 pC，虽然气流持续激励，保持PMPF弯曲变形，但由于压电材料特性，经过4.6 s，电荷值递减为0。

3.2.2PMPF电荷输出与气流速度关系的实验研究

该实验采用上述通过抽离遮板，对PMPF产生准静态气流激励的方式，来得到PMPF输出的电荷幅值与气流速度的关系。选用尺寸参数为Rc= 2 mm，Rm=0.5 mm，L=18 mm，α=2π/3的样品PMPF，夹角γ=0。通过调节小型风洞的风机转速，产生气流速度的范围从0.5 m/s到11 m/s。在气流速度从0.5 m/s开始，每次递增0.5 m/s到11 m/s，测得样品PMPF的电荷量，每次调节的气流速度由风速计校准。该风速计的测量范围为0～30 m/s，准确度5%。实验得到PMPF样品在3 m/s气流速度下的电荷输出信号，其电荷量最大值为0.48 pC，如图12所示。多次测得在0.5 m/s～11 m/s气流速度下PMPF输出的最大电荷幅值，取平均值，得到PMPF的电荷响应与气流速度的关系，如图13所示。由图可知，PMPF感知的电荷最大值和冲击气流强度基本成指数的关系，较好地验证了式（14）的理论结果。也表明PMPF能够较准确地测量出冲击气流强度。

图12　γ=0时，PMPF样品在3 m/s气流速度下的电荷输出信号

图13　γ=0时，PMPF输出电荷量与气流速度大小的关系

3.2.3PMPF电荷输出与恒速气流来向关系的实验研究

实验中，由于风洞中的气流方向一定，通过调节纤维固定端的旋转装置，得到气流来向与纤维表面电极径向对称轴的夹角γ，如图14所示。

图14　PMPF角度调节示意图

在恒定速度的气流下，通过静态气流激励方法，从夹角γ=0开始，每次π/6按顺时针旋转一周，得到不同来向气流的激励下，PMPF输出的电荷情况。在气流速度设定5.7 m/s，尺寸参数为Rc=2 mm，Rm=0.5 mm，L=18 mm，α=5π/6的PMPF在不同夹角γ输出的最大电荷量幅值，如图15所示。

从图15可知，在与气流来向成不同角度下，PMPF输出的最大幅值在直角坐标下的趋势近似呈余弦曲线，在极坐标下也近似“8”字。实验结果与理论计算存在的误差除了之前实验中所述纤维制备的欠缺和气流加载方式的不完善；还有可能的是，极化时，由于纤维压电陶瓷极化部分截面为扇形，导致内外电极极化区域不一致，电场分布不均匀。

4　小结

本文利用制备的PMPF模仿生物的毛发感受器，应用于气流传感。分析了基于平均电荷法，建立了PMPF静态气流传感模型。通过数值仿真，分析了PMPF两电极间电荷值与表面电极分布角度、纤维长度的关系。搭建了PMPF气流传感实验平台，测试了PMPF两电极的电荷与气流速度、气流来向的关系。实验结果表明，PMPF在测量气流的速度大小、方向有较好的传感特性。

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夏咸龙（1990-），男，江苏盐城人，硕士，现主要从事智能传感器、驱动器方面的研究，261319508@qq.com；

边义祥（1973-），男，博士，副教授，现主要从事仿生传感器、驱动器方面的研究，yxbian@yzu.edu.cn。

周桂祥（1988-），男，江苏盐城人，硕士，现主要从事智能传感器、驱动器方面的研究，798601943@qq.com；

Investigations on the Sensitivity of Airflow Using Partially Coated Metal Core Piezoelectric Fiber*

XIA Xianlong，ZHOU Guixiang，BIAN Yixiang*，Wang Changlong
（College of Mechanical Engineering，YangZhou University，Yangzhou Jiangsu 225127，China）

Abstract：Metal core piezoelectric fiber can simulate insects’hair flow sensors，and measure the airflow changes of the surrounding environment.In this paper，we coated part of the longitudinal surface of the metal core piezoelectric fiber with electrode，and prepared partial coated metal core piezoelectric fibers（PMPF）.Based on the average charge method，the cantilever PMPF quasi-static airflow sensor model was established，the relationship between the two electrodes’charge value on PMPF and the surface electrode distribution angle and the length of fiber were ana⁃lyzed.The experimental platform of cantilever PMPF airflow sensor was established，and the response of PMPF when impact airflow acted on was tested whose results verified the theoretical model.The results show that the out⁃put signal of the PMPF has a index relation with the air flow velocity，and a "8" glyph relation with the air flow direc⁃tion.PMPF has the properties of sensing the airflow velocity and direction.

Key words：piezoelectric fiber；metal core；surface electrode；airflow sensor

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.008

收稿日期：2015-07-14修改日期：2015-09-28

中图分类号：TM282

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）02-0195-07

项目来源：国家自然科学基金面上项目（51275447）