丁 峰, 肖如慧, 魏新民, 王淑杰, 孫文彩, 談世哲

(中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子工程系,山東 青島 266100)

0 引 言

傳統(tǒng)的海流測(cè)量方法包括機(jī)械旋漿式、電磁式、聲學(xué)式和光學(xué)式[1]。這些方法既有各自的優(yōu)點(diǎn),也存在著一定的不足。機(jī)械式海流計(jì)的工作深度受限較小且功耗低,但對(duì)低速測(cè)量存在較大誤差；電磁式海流計(jì)體積小使用靈活,但易受海水介質(zhì)導(dǎo)電率和地球磁場(chǎng)影響；聲學(xué)式海流計(jì)會(huì)受到海水溫度、鹽度、懸浮顆粒、聲學(xué)散射以及多徑傳播的影響,造成測(cè)量精度下降；光學(xué)式海流計(jì)精度會(huì)受到海水渾濁度的影響,導(dǎo)致測(cè)量失效。因此,新型海流測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)與研制具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn),魚(yú)類的側(cè)線系統(tǒng)可感知水流,為新型海流測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)提供了新思路。Chen N的團(tuán)隊(duì)提出了另一種高靈敏度的壓阻式流速傳感器,使用SU—8環(huán)氧樹(shù)脂制造高長(zhǎng)寬比的感知纖毛,其在振蕩流下的測(cè)量閾值為0.7 mm/s[2]。佐治亞理工學(xué)院的Peleshanko S等人,采用精密滴落涂布法制造出水凝膠包覆的仿生纖毛感知系統(tǒng),測(cè)量閾值達(dá)到了2.5 μm/s[3]。中國(guó)海洋大學(xué)的Yang Y等人設(shè)計(jì)了一種微壓力傳感器組成的仿生側(cè)線傳感器陣列實(shí)現(xiàn)湍流速度估計(jì)及障礙物躲避[4]。Abdulsadda A T和Tan X提出了基于IPMC的仿生側(cè)線傳感器原型[5]。

然而上述研究在仿生側(cè)線傳感器的設(shè)計(jì)方面,材料的運(yùn)用仍處于探索階段,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還只是對(duì)魚(yú)類神經(jīng)丘結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單模仿,缺乏對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化；傳感器的理論模型也只是處于理論論證階段。因此,可運(yùn)用于工程的仿生側(cè)線傳感器較少、傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法相對(duì)匱乏、傳感器對(duì)應(yīng)模型理論體系不夠完備是當(dāng)前研究所面臨的主要問(wèn)題。

針對(duì)上述仿生側(cè)線傳感器研究目前所面臨的主要問(wèn)題,本文參考魚(yú)類體表神經(jīng)丘的形態(tài)結(jié)構(gòu)與傳感機(jī)理,采用壓電特性突出的聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)壓電薄膜作為感知單元設(shè)計(jì)仿生側(cè)線傳感器,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)技術(shù)優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù),并通過(guò)理論分析建立傳感器的理論模型,通過(guò)水箱標(biāo)定實(shí)驗(yàn)完成傳感器的標(biāo)定、精度分析,制作出可運(yùn)用于工程的仿生側(cè)線傳感器。

1 魚(yú)類側(cè)線感知機(jī)理

魚(yú)類體表神經(jīng)丘位于魚(yú)類的表皮上,是由纖毛細(xì)胞及其感知纖毛束組成的小型受體器官。單個(gè)纖毛細(xì)胞中有多個(gè)纖毛束,纖毛束由一根動(dòng)纖毛和幾根較短且長(zhǎng)短不一的靜纖毛組成[6],單個(gè)神經(jīng)丘中所有纖毛細(xì)胞的纖毛束都處在一個(gè)大的透明殼斗中,其形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 魚(yú)類體表神經(jīng)丘的形態(tài)結(jié)構(gòu)

體表神經(jīng)丘的傳感原理在于其末端的靜纖毛偏轉(zhuǎn)會(huì)通過(guò)離子通道引起刺激或抑制反應(yīng)。當(dāng)魚(yú)類體表周圍的水發(fā)生流動(dòng)時(shí),體表神經(jīng)丘的殼斗狀結(jié)構(gòu)會(huì)傳遞水動(dòng)力,該力使感知纖毛束發(fā)生傾斜,引起其下方的神經(jīng)元產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)[7]。神經(jīng)沖動(dòng)由神經(jīng)末梢傳遞給神經(jīng)中樞,從而感知水流的強(qiáng)度和方向。

2 傳感器設(shè)計(jì)與制作

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

根據(jù)魚(yú)類體表神經(jīng)丘的形態(tài)結(jié)構(gòu)和傳感原理,仿生側(cè)線傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。傳感器主要由探頭、懸臂梁和感知單元三個(gè)部分組成。

圖2 仿生側(cè)線傳感器設(shè)計(jì)

探頭部分參考神經(jīng)丘殼斗的形態(tài)結(jié)構(gòu),被設(shè)計(jì)為殼斗形狀。探頭與外界水環(huán)境直接接觸,用以感知水動(dòng)力,然后將該力傳遞給懸臂梁。懸臂梁部分則參考丘腦運(yùn)動(dòng)會(huì)引起纖毛束偏移的特性,被設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓柱體。懸臂梁在受到探頭傳遞的力后發(fā)生偏轉(zhuǎn),并通過(guò)杠桿結(jié)構(gòu)將力進(jìn)一步傳遞至感知單元。感知單元與魚(yú)類纖毛束下方的神經(jīng)元作用類似,受到懸臂梁傳遞來(lái)的力之后發(fā)生形變,并進(jìn)行水流信息的最終感知。

考慮到整個(gè)傳感器的尺寸、傳感器載體的局限性以及對(duì)流場(chǎng)的影響,仿生側(cè)線傳感器的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其優(yōu)化過(guò)程將在第3章中詳細(xì)介紹。

表1 仿生側(cè)線傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

2.2 傳感器制作

考慮到傳感器的工作環(huán)境,探頭和懸臂梁的材料應(yīng)具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和耐水性。目前,3D打印技術(shù)[8]已非常成熟,所用樹(shù)脂材料具有重量輕、耐水性好等特點(diǎn),很好地滿足了上述材料的要求。因此本文采用3D打印技術(shù),使用樹(shù)脂材料制作探頭和懸臂梁。

目前,常見(jiàn)的壓電材料有PVDF、壓電陶瓷、鈦酸鋇等。而PVDF具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)：其電壓常數(shù)比壓電換能器(piezo-electric transducer,PZT)高一個(gè)量級(jí),是聚合物壓電材料中壓電性能最好的[9]；頻率響應(yīng)范圍大；生物兼容性好[10，11]。考慮到仿生側(cè)線傳感器對(duì)微小水流的感知能力,本文選擇PVDF壓電薄膜作為感知單元材料。

將質(zhì)量塊固定在PVDF壓電薄膜前端,一方面可以改變傳感器的諧振頻率和靈敏度,以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合；另一方面可以更好地組裝PVDF壓電薄膜與懸臂梁。電極位于壓電薄膜尾端,通過(guò)導(dǎo)線與放大電路相連。組裝后的傳感器如圖3(a)所示,隨后對(duì)傳感器進(jìn)行硫化水密處理,其實(shí)物圖如圖3(b)所示。

圖3 仿生側(cè)線傳感器實(shí)物

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 探頭結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

本文設(shè)計(jì)了翼型、拋物線形、半橢圓形、半圓形四種形狀探頭。使用Fluent模塊對(duì)四種探頭進(jìn)行仿真分析,比較不同探頭在相同流速?zèng)_擊下的表面壓力分布和速度場(chǎng),選出性能最優(yōu)的探頭形狀。

建立四種形狀探頭模型,探頭底部寬度為6 mm,翼型、拋物線和半橢圓高度為5 mm,流體流速為0.3 m/s。將流體仿真后的探頭表面靜壓分布數(shù)據(jù)提取并整合,結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出四種形狀探頭沿軸向的靜壓分布,拋物線形和翼型探頭表面的靜壓分布下降趨勢(shì)稍緩,說(shuō)明流體經(jīng)過(guò)拋物線形和翼型時(shí)的附著性能更好,可以更好地感知流體作用力。再對(duì)這兩種形狀探頭的速度場(chǎng)進(jìn)行分析。如圖5所示,翼型探頭上、下方流場(chǎng)的流速變化明顯小于拋物線形,說(shuō)明翼型對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)更小,測(cè)量值會(huì)更加接近真實(shí)值。因此翼型探頭具有最優(yōu)的水動(dòng)力特性。

圖4 四種形狀探頭沿軸向的靜壓分布

圖5 探頭速度場(chǎng)分布

3.2 懸臂梁和感知單元結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

本文對(duì)40,50,60,70 mm 4種長(zhǎng)度的懸臂梁進(jìn)行了流體仿真和壓電分析。首先,使用Fluent軟件計(jì)算不同流速下流體對(duì)感知單元自由端的作用力；然后，根據(jù)PVDF壓電薄膜的參數(shù),采用機(jī)械A(chǔ)PDL軟件對(duì)傳感器進(jìn)行壓電分析；最后，得到不同懸臂梁長(zhǎng)度下傳感器輸出電壓與流速的關(guān)系圖。由圖6可知,當(dāng)流速固定時(shí),傳感器輸出電壓隨懸臂梁長(zhǎng)度的增加而增大。

圖6 不同懸臂梁長(zhǎng)度的傳感器速度—電壓關(guān)系

為了選擇最合適的懸臂梁長(zhǎng)度,有必要參考測(cè)量系統(tǒng)的總噪聲。本文所使用的測(cè)量系統(tǒng)總噪聲約為6mV,因此，傳感器的最小輸出電壓不能低于6 mV。結(jié)合圖6,同時(shí)考慮一定的余量,傳感器最小感知流速被設(shè)定為1.5 cm/s,因此，懸臂梁的長(zhǎng)度至少應(yīng)為60 mm。此外,考慮到傳感器對(duì)外部流場(chǎng)的干擾應(yīng)盡可能減小,故應(yīng)選擇較短的懸臂梁。因此,懸臂梁的長(zhǎng)度最終設(shè)定為60 mm。

采用相同的分析方法對(duì)PVDF仿生側(cè)線傳感器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,可得到它們的最優(yōu)參數(shù)值：懸臂梁的直徑、感知單元的長(zhǎng)、寬、厚度分別為2,25,11,0.1 mm。

4 理論建模

流體對(duì)探頭迎流面的壓力效應(yīng)非常復(fù)雜,在分析探頭受力與流體間的關(guān)系時(shí),需要考慮多種流動(dòng)條件。但如果流動(dòng)條件簡(jiǎn)單且定義明確,則可通過(guò)受力分析得出兩者之間的關(guān)系。根據(jù)流體力學(xué)基本理論,PVDF仿生側(cè)線傳感器探頭所受壓力可表示為

(1)

式中Cd為粘性系數(shù)；A為探頭迎流面面積；ρ為流體密度；v為流體速度。

懸臂梁采用杠桿結(jié)構(gòu),可以放大作用在探頭上的力,根據(jù)杠桿原理

FD=Pd

(2)

式中P為傳感器探頭所受壓力；d為傳感器的總長(zhǎng)度；D為PVDF壓電薄膜的長(zhǎng)度；F為作用于PVDF壓電薄膜自由端的力。

PVDF壓電薄膜形狀為長(zhǎng)條形,一端固定,另一端可自由彎曲,其可簡(jiǎn)化為自由端集中荷載的懸臂梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)懸臂梁基本理論,其應(yīng)力T1可表示為

(3)

式中M為力矩；w和h別為PDVF壓電薄膜寬度、厚度。

因此懸臂梁的力矩公式可表示為

M(x)=F(l-x)

(4)

式中F為PVDF壓電薄膜自由端受力；l為PVDF壓電薄膜的長(zhǎng)度。

則PVDF壓電薄膜的表面電荷量可以表示為

(5)

式中d31為X軸方向上的壓電常數(shù)。

PVDF壓電薄膜輸出的電荷信號(hào)一般為PC級(jí),因此,采用電荷放大電路作為傳感器的一級(jí)放大電路。為了靈活地調(diào)節(jié)電荷放大電路轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)幅值,二級(jí)放大電路為負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)電壓放大電路。因此,傳感器輸出電荷信號(hào)Q與放大電路輸出電壓Uout之間的關(guān)系可以表示為

(6)

式中Cf為放大電路的電容；K為放大電路的放大系數(shù)。

結(jié)合以上分析,傳感器理論模型可表示為

(7)

5 水箱實(shí)驗(yàn)

5.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

首先,將PVDF仿生側(cè)線傳感器與多普勒流速儀固定在一起,保證其速度的一致性,并將流速儀固定在水箱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的導(dǎo)軌上,帶動(dòng)其移動(dòng)。然后,通過(guò)放大電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大,并由數(shù)據(jù)采集器采集至個(gè)人電腦(PC)。最后,將流速儀測(cè)得的流速作為實(shí)際流速導(dǎo)入PC機(jī),結(jié)合傳感器理論模型,進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線擬合。水箱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

圖7 水箱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

步進(jìn)電機(jī)的速度區(qū)間為0.02～0.50 m/s,間隔為0.04 m/s。每個(gè)速度重復(fù)采樣5次,以流速儀測(cè)得的平均值作為實(shí)際流速,以傳感器輸出電壓平均值作為相應(yīng)流速下的實(shí)際輸出電壓。根據(jù)傳感器理論模型,輸出電壓與流速的平方成正比,因此,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬合,結(jié)果如圖8所示。擬合后的和方差為0.000 252 3,決定系數(shù)為0.994 2,擬合效果良好。因此,PVDF仿生側(cè)線傳感器的輸入輸出關(guān)系可校準(zhǔn)為

Uout=0.552 4 ×v2

(8)

圖8 曲線擬合結(jié)果

5.2 精度分析

傳感器精度可以用測(cè)量范圍內(nèi)最大基本誤差的絕對(duì)值與傳感器滿標(biāo)度輸出之比的百分比表示。再次進(jìn)行水箱標(biāo)定實(shí)驗(yàn),將傳感器輸出電壓代入標(biāo)定后的傳感器輸入輸出關(guān)系,得到PVDF仿生側(cè)線傳感器測(cè)量的流速,進(jìn)而計(jì)算基本誤差。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水箱實(shí)驗(yàn)基本誤差 cm·s-1

由表2可知,基本誤差最大值為1.82 cm/s,由于水箱長(zhǎng)度和電機(jī)控制調(diào)速的限制,本次水箱標(biāo)定的流速范圍為0.02～0.5 m/s。以PVDF仿生側(cè)線傳感器的全量程為50 cm/s,可計(jì)算出PVDF仿生側(cè)線傳感器的精度為3.64 %。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)魚(yú)類體表神經(jīng)丘的形態(tài)結(jié)構(gòu)和傳感機(jī)理,設(shè)計(jì)了傳感器結(jié)構(gòu)；利用Ansys仿真軟件對(duì)傳感器各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)理論分析,建立了傳感器理論模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器的輸入輸出關(guān)系和精度進(jìn)行了標(biāo)定。結(jié)果表明：本文研制的PVDF仿生側(cè)線傳感器實(shí)際測(cè)量值與理論模型擬合良好,流速測(cè)量范圍為0.02～0.5 m/s,流速測(cè)量的精度小于4 %。能較好地進(jìn)行了水下流速的測(cè)量。