基于PVDF的振弦式次聲波傳感器設(shè)計

劉豪華， 萬 舟， 油錫存

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650000)

基于PVDF的振弦式次聲波傳感器設(shè)計

劉豪華， 萬 舟， 油錫存

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650000)

針對當(dāng)前用于次聲波檢測的次聲波傳感器存在的一些不足，設(shè)計一種基于PVDF的振弦式次聲波傳感器，建立了振弦、彈性元件、壓電薄膜的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了調(diào)理電路，并對該傳感器進行測試和驗證。結(jié)果表明：該傳感器具有能對次聲波進行全方位接收、量程可調(diào)、靈敏度高、誤差小等優(yōu)點。

聚偏氟乙烯； 振弦式； 次聲波傳感器

0 引 言

在聲波頻段中，頻率小于20 Hz的波段被稱之為次聲波。次聲波具有頻率低、波長長的特殊性，具有傳播遠、穿透力強、受干擾小等特征。次聲波的存在十分廣泛，例如：海上風(fēng)暴、地震、火山噴發(fā)等自然災(zāi)害都有可能產(chǎn)生次聲波[1]；生活中也常伴隨著次聲波，例如：大橋搖晃、汽車疾駛，甚至于家里的音響和攪拌機都會有次聲波的產(chǎn)生[2]。目前有許多國家都在致力于次聲波的研究，次聲波武器、次聲波勘探、次聲波預(yù)測預(yù)警等都是最近的熱點，可以預(yù)見，未來次聲波將有更廣闊的用途，因此，對次聲波的檢測具有極大的實用價值和科學(xué)意義?，F(xiàn)有的用于次聲波檢測的次聲波傳感器還有一些諸如靈敏度低、頻率范圍小、體積大、不便于安裝和對環(huán)境要求高等缺點，基于此，本文設(shè)計了一種基于PVDF的振弦式次聲波傳感器。

1 測量原理

本文設(shè)計的基于PVDF的振弦式次聲波傳感器，利用振弦作為接收元件，能夠全方位地接收次聲波并產(chǎn)生振動，振動通過弦馬傳遞給彈性膜片，彈性膜片的振動引起貼在彈性膜片上的PVDF響應(yīng)，PVDF壓電薄膜具有良好的壓電特性，可將接收到的振動頻率的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾闪康淖兓?，然后通過調(diào)理電路將電荷量的變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化，從而建立輸出電壓與次聲波頻率的關(guān)系[3]。此外，振弦的有效長度由2個弦馬確定，其中一個弦馬可在一定范圍內(nèi)移動，使振弦的有效長度可調(diào)，從而使本文所設(shè)計的傳感器量程可調(diào)。

2 傳感器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計方案

為了能夠?qū)Υ温暡ㄟM行全方位接收，本文設(shè)計采用振弦作為接收元件[4]，振弦由支架兩端的夾弦裝置固定，為使所設(shè)計傳感器量程可調(diào)，需使振弦的有效長度可調(diào)，兩弦馬之間的振弦長度為振弦的有效長度，為此,在固定支架右側(cè)底板安裝一導(dǎo)軌，右側(cè)弦馬可在導(dǎo)軌上移動，從而改變振弦的有效長度，左側(cè)弦馬需傳遞振弦的振動，因此,將左側(cè)弦馬安裝在彈性膜片的圓心處，彈性膜片下側(cè)粘貼PVDF壓電薄膜，在固定支架左側(cè)設(shè)計一圓形部分，用以固定彈性膜片。傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 PVDF壓電薄膜特性與粘貼位置分析

PVDF作為新型的高分子壓電材料柔韌性好、機械強度高、振動模式簡單、可在較大溫度范圍內(nèi)工作，而且性能幾乎不受濕度影響，對環(huán)境要求低。通過有限元軟件ANSYS

圖1 基于PVDF的振弦式次聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of vibration wire infrasonic wave sensor based on PVDF

對彈性膜片進行分析可知[5],應(yīng)變在膜片中心處最大,且在半徑1/2處出現(xiàn)徑向應(yīng)變拐點,且拐點到膜片邊緣處的一段線性度非常好,這為本文設(shè)計的PVDF壓電薄膜在彈性膜片上的粘貼位置選取提供了依據(jù)。圖2中區(qū)域BOC為PVDF薄膜的最大粘貼區(qū)域，小圓代表PVDF薄膜。

圖2 PVDF壓電薄膜粘貼位置示意圖Fig 2 Diagram of paste position of PVDF piezoelectric film

圖2中,D代表一個微單元，對該點所受的徑向應(yīng)力進行分解，分解為水平方向和垂直方向的2個分量[6]，分解后,點的電荷量可表示為

dQ=EPd31ε31dS+EPd32ε32dS

=EP(d31εrcosθ+d32εrsinθ)dS,

(1)

式中d31,d32為PVDF薄膜的常數(shù)，且d31=23 pC/N,d32=5 pC/N；dQ為D點所產(chǎn)生的電荷量；dS為D點所表示區(qū)域的面積，ε31，ε32分別為PVDF薄膜的水平方向和垂直方向的應(yīng)變分量，OB與OA的夾角為θ。

當(dāng)單元D水平方向應(yīng)力與平膜片徑向應(yīng)力相等，且垂直方向上應(yīng)力為0時，則有

dQ′=EPd31εrdS.

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)，有

(3)

當(dāng)θ=10°，通過上式可以算出單元D的電荷量的比值為97.79 %。

結(jié)合上述計算和圓平膜片在直徑路徑方向上的徑向應(yīng)變的分析可得出：PVDF的最佳粘貼位置是θ=10°，長度為100 mm，寬度為60 mm的矩形區(qū)域，PVDF具體形狀可以是該矩形，也可以是以矩形的寬為直徑的內(nèi)切圓，為了便于粘貼和節(jié)省材料選用直徑為60 mm的圓形PVDF薄膜，其粘貼位置如圖2中小圓的位置。

4 調(diào)理電路

PVDF壓電薄膜將振動頻率的變化轉(zhuǎn)換為電荷量的變化后，需要將電荷的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，電荷的整體轉(zhuǎn)換電路如圖3。

圖3 電荷轉(zhuǎn)換整體電路圖Fig 3 Charge transfer integral circuit diagram

電荷放大器的通頻帶通常高于實際的需要，這些無用的高頻頻帶的存在往往對低頻測試會帶來壞的影響，所以,在系統(tǒng)中設(shè)計低通濾波電路，如圖4。

圖4 低通濾波電路整體框圖Fig 4 Overall block diagram of low pass filtering circuit

圖4中,51單片機根據(jù)輸入信號的頻率控制模擬開關(guān)的切換，通過切換到不同的電阻和電容來改變截至頻率。圖4中二階低通濾波器有4個同步可編程轉(zhuǎn)折頻率， 有11檔轉(zhuǎn)折頻率。低頻濾波后再將電壓信號放大用于輸出。

5 實驗測試

利用信號發(fā)生器產(chǎn)生0～20 Hz的正弦激勵信號，經(jīng)輸出功率為1 000 W的功率放大器放大后由大功率揚聲器產(chǎn)生次聲波，測試時將低通濾波器的截止頻率調(diào)至21 Hz，對每一個測試頻率進行10次測試，并記錄測試結(jié)果。結(jié)果見表1。

表1表明：前4次測試的結(jié)果均為0，這就說明了在有效測試距離內(nèi),當(dāng)給定頻率小于0.2 Hz時，傳感器沒有響應(yīng)，由此可以推斷，0.2 Hz為該傳感器的的下限頻率；在0～1 Hz和1～20 Hz之間大致呈直線，由此可見在量程范圍內(nèi)，傳感器的線性度較好。

由表1可知，隨著測試頻率的增大，誤差會逐步減小。平均誤差為E=3.13 %。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于PVDF的振弦式次聲波傳感，該傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計使該傳感器能夠?qū)Υ温暡ㄟM行全方位接收，其測量范圍可根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)，從而提高了傳感器的靈敏度，避免測量不同頻率而使用同一量程所造成的靈敏度降低，對測試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明該傳感器誤差小、精度高，具有極大的實用價值。

[1] 夏雅琴,崔曉艷,李均之，等.震前次聲波異常信號的研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011(3)：463-469.

[2] 陳小燕.跟你聊聊次聲波[J].中學(xué)數(shù)理化，2011(8):54-55.

[3] 韓 冰,王 越,孟繁浩,等.基于PVDF壓電材料的壓力傳感器設(shè)計[J].吉林大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版,2012(2)：333-336.

[4] 楊佰源,張義同.工程彈塑性力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

表1 給定輸入頻率和實測輸出頻率的相對誤差Tab 1 Relative error of given input frequency and measured output frequency

[5] 吳振亭,崔 海.基于ANSYS技術(shù)的固支圓形膜片彈性特性分析[J].機械研究與應(yīng)用,2006(2):47-54.

[6] 具典淑,周 智,歐進萍.PVDF壓電薄膜的應(yīng)變傳感特性研究[J].功能材料,2004(4):450-456.

Design of vibration wire infrasonic wave sensor based on PVDF

LIU Hao-hua， WAN Zhou， YOU Xi-cun

(School of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650000,China)

Aiming at deficiencies of infrasonic wave sensor for infrasonic detection,at present,design a kind of vibration wire infrasonic wave sensor based on PVDF,establish mathematical model for vibration wire,elastic element and piezoelectric thin film,design conditioning circuit,test and verify the sensor.The results show that the sensor has the advantages of a full range of receiving infrasonic wave,adjustable range,high sensitivity,small error and so on.

PVDF； vibration wire； infrasonic wave sensor

2013—09—15

TP 216.1

A

1000—9787(2014)04—0093—02

劉豪華(1990-)，男，河南平頂山人，碩士研究生，主要研究方向為新型傳感器技術(shù)。