劉豪華， 萬(wàn) 舟， 油錫存

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)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(jì)

劉豪華， 萬(wàn) 舟， 油錫存

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

針對(duì)當(dāng)前用于次聲波檢測(cè)的次聲波傳感器存在的一些不足，設(shè)計(jì)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(jì)了調(diào)理電路，并對(duì)該傳感器進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。結(jié)果表明：該傳感器具有能對(duì)次聲波進(jìn)行全方位接收、量程可調(diào)、靈敏度高、誤差小等優(yōu)點(diǎn)。

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(zhǎng)長(zhǎng)的特殊性，具有傳播遠(yuǎn)、穿透力強(qiáng)、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(jī)都會(huì)有次聲波的產(chǎn)生[2]。目前有許多國(guó)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(cè)預(yù)警等都是最近的熱點(diǎn)，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)次聲波將有更廣闊的用途，因此，對(duì)次聲波的檢測(cè)具有極大的實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義?，F(xiàn)有的用于次聲波檢測(cè)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(duì)環(huán)境要求高等缺點(diǎn)，基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于PVDF的振弦式次聲波傳感器。

1 測(cè)量原理

本文設(shè)計(jì)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(dòng)，振動(dòng)通過(guò)弦馬傳遞給彈性膜片，彈性膜片的振動(dòng)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(dòng)頻率的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾闪康淖兓?，然后通過(guò)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(zhǎng)度由2個(gè)弦馬確定，其中一個(gè)弦馬可在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，使振弦的有效長(zhǎng)度可調(diào)，從而使本文所設(shè)計(jì)的傳感器量程可調(diào)。

2 傳感器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案

為了能夠?qū)Υ温暡ㄟM(jìn)行全方位接收，本文設(shè)計(jì)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(jì)傳感器量程可調(diào)，需使振弦的有效長(zhǎng)度可調(diào)，兩弦馬之間的振弦長(zhǎng)度為振弦的有效長(zhǎng)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(dòng)，從而改變振弦的有效長(zhǎng)度，左側(cè)弦馬需傳遞振弦的振動(dòng)，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(jì)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(jī)械強(qiáng)度高、振動(dòng)模式簡(jiǎn)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(duì)環(huán)境要求低。通過(guò)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(duì)彈性膜片進(jìn)行分析可知[5],應(yīng)變?cè)谀て行奶幾畲?且在半徑1/2處出現(xiàn)徑向應(yīng)變拐點(diǎn),且拐點(diǎn)到膜片邊緣處的一段線性度非常好,這為本文設(shè)計(jì)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(gè)微單元，對(duì)該點(diǎn)所受的徑向應(yīng)力進(jìn)行分解，分解為水平方向和垂直方向的2個(gè)分量[6]，分解后,點(diǎn)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(diǎn)所產(chǎn)生的電荷量；dS為D點(diǎn)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(shí)，則有

dQ′=EPd31εrdS.

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)，有

(3)

當(dāng)θ=10°，通過(guò)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(jì)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(zhǎng)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(dòng)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(shí)際的需要，這些無(wú)用的高頻頻帶的存在往往對(duì)低頻測(cè)試會(huì)帶來(lái)壞的影響，所以,在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)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(jī)根據(jù)輸入信號(hào)的頻率控制模擬開(kāi)關(guān)的切換，通過(guò)切換到不同的電阻和電容來(lái)改變截至頻率。圖4中二階低通濾波器有4個(gè)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(hào)放大用于輸出。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生0～20 Hz的正弦激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)輸出功率為1 000 W的功率放大器放大后由大功率揚(yáng)聲器產(chǎn)生次聲波，測(cè)試時(shí)將低通濾波器的截止頻率調(diào)至21 Hz，對(duì)每一個(gè)測(cè)試頻率進(jìn)行10次測(cè)試，并記錄測(cè)試結(jié)果。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1表明：前4次測(cè)試的結(jié)果均為0，這就說(shuō)明了在有效測(cè)試距離內(nèi),當(dāng)給定頻率小于0.2 Hz時(shí)，傳感器沒(méi)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(jiàn)在量程范圍內(nèi)，傳感器的線性度較好。

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

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(jì)使該傳感器能夠?qū)Υ温暡ㄟM(jìn)行全方位接收，其測(cè)量范圍可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高了傳感器的靈敏度，避免測(cè)量不同頻率而使用同一量程所造成的靈敏度降低，對(duì)測(cè)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(shí)用價(jià)值。

[1] 夏雅琴,崔曉艷,李均之，等.震前次聲波異常信號(hào)的研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):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(jī)械工業(yè)出版社，2003.

表1 給定輸入頻率和實(shí)測(cè)輸出頻率的相對(duì)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(jī)械研究與應(yīng)用,2006(2):47-54.

[6] 具典淑,周 智,歐進(jìn)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?yàn)樾滦蛡鞲衅骷夹g(shù)。