CN107765030A - 一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器及其测量方法，传感器包括柔性基座、微型阵列条状纤维传感单元、导电薄膜以及电极层；柔性基座为轴对称形状，其具有若干个侧面；在侧面上固定有微型阵列条状纤维传感单元，微型阵列条状纤维传感单元以悬臂梁结构一端固定于侧面上；在微型阵列条状纤维传感单元与侧面连接处设有采用导电薄膜和电极层组成的输出单元。测量方法将感知流速变化的压电纤维阵列传感器放置于风场内，将传感器的微型阵列条状纤维传感单元正对流速方向，采集传感器输出单元的输出信号；再通过线性拟合方法标定流速与感应电信号之间的数学关系。

Description

一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种感知流速变化的新型微型压电纤维阵列传感器及其测量方法，属仿生材料及智能结构领域。
背景技术
空间流速检测测在机器人感知系统，气象监测、生物医药、航空制导及国防武器装备上有广泛的应用。传统测量流速变化的方式采用机械部件的热丝流速传感器，但是这种装置响应时间长、体积大、易磨损。近年来陆续出现基于超声波传播的超声风速计和基于多普勒效应的多普勒流速仪，这两种流速计都有各自的优点,但是由于使用环境条件有限、生产成本高、检测精度低、不易微型化等原因使其应用推广受到限制。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种感知流速变化的新型微型压电纤维阵列传感器及其测量方法，单个的压电纤维传感单元能够利用其压电薄膜受气流扰动产生的受迫振动，将其直接转化为电信号，由此标气流的大小。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器，所述传感器包括柔性基座1、微型阵列条状纤维传感单元2、导电薄膜3以及电极层4；
所述柔性基座1为轴对称形状，其具有若干个侧面；在所述侧面上固定有微型阵列条状纤维传感单元2，所述微型阵列条状纤维传感单元2以悬臂梁结构一端固定于所述侧面上；
在所述微型阵列条状纤维传感单元2与侧面连接处设有采用导电薄膜3和电极层4组成的输出单元。
进一步的，所述微型阵列条状纤维传感单元2包括条状纤维压电薄膜5和条状金属纤维6，所述条状纤维压电薄膜5和条状金属纤维6胶合在一起。
作为一种优选，所述柔性基座1采用轻质材料制成，为四边形体、六边形体或者八变形体。
一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器测量方法，所述测量方法将感知流速变化的压电纤维阵列传感器放置于风场内，将传感器的微型阵列条状纤维传感单元2正对流速方向，采集传感器输出单元的输出信号；再通过线性拟合方法标定流速与感应电信号之间的数学关系。
进一步的，所述感知流速变化的压电纤维阵列传感器采用风洞实验过程如下：
步骤1，将所述传感器放置于风洞8中，使单片条状纤维传感单元2正对流速方向；
步骤2，在风洞8中部设有一挡板7，快速向上抽挡板7，记录此时的冲击感应电压值U1，同时记录此时的风速大小U；同理，按此方法可获得每片条状纤维传感单元2的感应电压值Um；
步骤3，在同一流速的条件下，在平面内旋转所述传感器，记录每片条状纤维传感单元2的感应电压值Um，以及此时旋转的角度α；同理，改变风速大小，记录在不同风速条件下的Um和α。
进一步的，通过线性拟合方法标定流速与感应电信号之间的数学关系包括如下步骤：
第一步：通过风洞实验，标定流速大小V和方向α，以及标定单片条状纤维传感单元受法向风速冲击的特征值，即感应电信号Um,其中m为传感单元的个数，V为流速大小；
第二步：采用2次线性拟合方法拟合第一步中每片传感单元的感应电信号Um与Vnormal的关系，即获得单片传感单元法向气流冲击特征曲线，数学关系为：
其中，Am为每片条状纤维传感单元的特征系数，其通过上述拟合获得；Vnormal为气流在单片条状传感单元面上的垂直分量；
第三步：根据阵列的几何关系，反推气流大小与方向；
Vnormal＝Vn*sin(αn) (2)
其中，Vn和αn分别为阵列中任意两片传感单元通过计算反推的气流大小与方向；
第四步：根据第三步中得到的气流大小与方向Vn和αn，结合第一步标定值V和α，采用平均计算的方法获得和
其中为计算流速大小误差，单位为°；为计算流速方向误差，单位为％；N为平均计算的次数。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.采用条状的复合铜片的压电薄膜(PVDF)作为感知流速的传感单元，不仅增加了受风扰动时产生的振动幅值，即增加了感应电信号的强度，同时增加了梁结构的弯曲韧性，防止在大流速情况下，传感器的屈服变形，导致传感器的性能失效。
2.采用的压电材料作为传感元件，相比传统的热敏流速传感器，前者响应时间短，可达十几毫秒。而后者需数秒。
3.采用多片纤维可布置的阵列结构，纤维的排布为柔性阵列，即可为四边形、六边形、八变形等；边数越多，越能提高该传感器感知流速大小与方向的精度。该结构简单，易于微型化。
4.利用传感单元阵列几何关系，结合采用平均计算误差的方法，简单，快捷，有效。
附图说明
图1为本发明压电纤维阵列传感器三维结构示意图；
图2为本发明压电纤维阵列传感器三维结构俯视图；
图3为本发明压电纤维阵列传感器原理示意图；
图4为本发明压电纤维阵列传感器在风洞中的标定测量示意图；
其中：1-基体，2-条状纤维传感单元，3-导电薄膜，4-电极，5-条状纤维压电薄膜层，6-条状金属纤维，7-挡板，8-风洞，,9-电脑，10-NI数据采集卡，,11-多通道电荷放大器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本发明感知流速变化的新型微型压电纤维阵列传感器，如图1、图2所示，所述传感器由柔性基座1、微型阵列条状纤维传感单元2、导电薄膜3、电极层4组成；整体结构易微型化。
其中所述柔性基座采用轻质材料组成，比如：Acrylonitrile-butadine-styrene(ABS)塑料，可采用3D打印制备；其整体结构为等边多边形，可为四边形、六边形、八变形等。
其中所述微型阵列条状纤维传感单元2包括：条状纤维压电薄膜5和条状金属纤维6构成。两者的外形均为微型悬臂梁结构并采用2-氰基丙烯酸乙酯将两者胶合；采用多片纤维可布置为阵列结构；纤维的排布为柔性阵列，即可为四边形、六边形、八变形等；边数越多，越能降低该传感器感知流速大小与方向的精度。条状纤维传感单元与柔性基体采用2-氰基丙烯酸乙酯胶合。
气流作用与该传感器时，在梁式纤维表面产生压强，诱导其产生受迫振动，根据压电效应，在压电薄膜表面聚集电荷，通过导电薄膜和电极向外输出电荷。采用电荷放大器11和NI数据采集系统10可将该电荷转化为电压，最终输出感应电信号并形成数字信号与计算机中9。
该传感器采用风洞实验对其进行感应电信号Um与流速之间的标定。根据图4，标定步骤如下所示：
1.将该传感器1-4放置与风洞8中，使单片条状纤维传感单元2正对流速方向。
2.快速向上抽挡板7，记录此时的冲击感应电压值U1。同时记录此时的风速大小U同理，按此方法可获得每片条状纤维传感单元2的感应电压值Um。
3.在同一流速的条件下，XY平面内旋转传感器1-4，记录每片条状纤维传感单元2的感应电压值Um，以及此时旋转的角度α。同理，改变风速大小，记录在不同风速条件下的Um和α。
本发明还采用如下技术方案：一种感知流速变化的新型微型压电纤维阵列传感器的测量方法，结合图3，包括如下步骤：
第一步：通过风洞实验，标定流速大小V和方向α，以及标定单片条状纤维传感单元受法向风速冲击的特征值，即感应电信号Um,其中m为传感单元的个数，V为流速大小。
第二步：采用2次线性拟合方法拟合第一步中每片传感单元的Um与Vnormal的关系，即获得单片传感单元法向气流冲击特征曲线。数学关系为：
其中，Am为每片条状纤维传感单元的特征系数，其可通过上述拟合获得。
第三步：根据阵列的几何关系，反推气流大小与方向
Vnormal＝Vn*sin(αn) (2)
其中至少需要2片传感单元才可以同时计算气流的大小和方向；Vn和αn分别为气流大小与方向。
第四步：根据第三步中得到的Vn和αn，结合第一步标定值V和α，采用平均计算的方法获得和
其中为计算流速大小误差，单位为(°)；为计算流速方向误差，单位为(％)；N为平均计算的次数，其与阵列的个数有关，随阵列数目的增加，N值越大。
实施例1
例如：已知条件：当传感单元的个数m为4时，即平均计算次数N为4；以及感应电信号Um，即
根据公式(1)，采用2次线性拟合方法拟合第一步中4片传感单元的Um与Vnormal的关系，即:
根据公式(2)，任意两片非平行排列的条状纤维传感单元可反推气流大小与方向，即：
由1号条状压电纤维传感单元和2号条状压电纤维传感单元可得:V1＝7.5m/s,α1＝35.7°
由1号条状压电纤维传感单元和3号条状压电纤维传感单元可得:V2＝7.8m/s,α1＝33.4°
由4号条状压电纤维传感单元和3号条状压电纤维传感单元可得：V1＝7.6m/s,α1＝34.2°
由4号条状压电纤维传感单元和2号条状压电纤维传感单元可得V1＝7.4m/s,α1＝35.4°最终根据公式(3)可得来流风速V和角度α，
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器，其特征在于：所述传感器包括柔性基座(1)、微型阵列条状纤维传感单元(2)、导电薄膜(3)以及电极层(4)；
所述柔性基座(1)为轴对称形状，其具有若干个侧面；在所述侧面上固定有微型阵列条状纤维传感单元(2)，所述微型阵列条状纤维传感单元(2)以悬臂梁结构一端固定于所述侧面上；在所述微型阵列条状纤维传感单元(2)与侧面连接处设有采用导电薄膜(3)和电极层(4)组成的输出单元。
2.根据权利要求1所述的一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器，其特征在于：所述微型阵列条状纤维传感单元(2)包括条状纤维压电薄膜(5)和条状金属纤维(6)，所述条状纤维压电薄膜(5)和条状金属纤维(6)胶合在一起。
3.根据权利要求1所述的一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器，其特征在于：所述柔性基座(1)采用轻质材料制成，为四边形体、六边形体或者八变形体。
4.一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器测量方法，其特征在于：所述测量方法将感知流速变化的压电纤维阵列传感器放置于风场内，将传感器的微型阵列条状纤维传感单元(2)正对流速方向，采集传感器输出单元的输出信号；再通过线性拟合方法标定流速与感应电信号之间的数学关系。
5.根据权利要求4所述的一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器测量方法，其特征在于：所述感知流速变化的压电纤维阵列传感器采用风洞实验过程如下：
步骤1，将所述传感器放置于风洞(8)中，使单片条状纤维传感单元(2)正对流速方向；
步骤2，在风洞(8)中部设有一挡板(7)，快速向上抽挡板(7)，记录此时的冲击感应电压值U1，同时记录此时的风速大小U；同理，按此方法可获得每片条状纤维传感单元(2)的感应电压值Um；
步骤3，在同一流速的条件下，在平面内旋转所述传感器，记录每片条状纤维传感单元(2)的感应电压值Um，以及此时旋转的角度α；同理，改变风速大小，记录在不同风速条件下的Um和α。
6.根据权利要求4所述的一种感知流速变化的压电纤维阵列传感器测量方法，其特征在于：通过线性拟合方法标定流速与感应电信号之间的数学关系包括如下步骤：
第一步：通过风洞实验，标定流速大小V和方向α，以及标定单片条状纤维传感单元受法向风速冲击的特征值，即感应电信号Um,其中m为传感单元的个数，V为流速大小；
第二步：采用2次线性拟合方法拟合第一步中每片传感单元的感应电信号Um与Vnormal的关系，即获得单片传感单元法向气流冲击特征曲线，数学关系为：
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其中，Am为每片条状纤维传感单元的特征系数，其通过上述拟合获得；Vnormal为气流在单片条状传感单元面上的垂直分量；
第三步：根据阵列的几何关系，反推气流大小与方向；
Vnormal＝Vn*sin(αn) (2)
其中，Vn和αn分别为阵列中任意两片传感单元通过计算反推的气流大小与方向；
第四步：根据第三步中得到的气流大小与方向Vn和αn，结合第一步标定值V和α，采用平均计算的方法获得和
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