CN205608019U - 一种仿水黾感觉毛传感器测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，属于传感应用技术领域，是一种悬臂梁结构，包括PVDF压电纤维和基座，PVDF压电纤维一端与基座固定连接，PVDF压电纤维的另一端自由悬空，PVDF压电纤维通过阻尼器和弹簧与基座固定相连，PVDF压电纤维由中间金属芯、PVDF压电聚合物、对称电极和绝缘薄膜构成。本实用新型结构简单，工作原理清晰，可以实现对被测环境中的气流或者水流流速的实时监测，当被测环境中的气流或者水流流动时，流动产生的应力应变会使得压电纤维发生弯曲变形，应力应变越大，纤维的弯曲变形程度也越大，反之越小，通过计算纤维表面电极产生的电荷大小直接测量出周围气流或者水流的流速。在自动机器人系统领域、生化与生物医学领域均可得到大量的应用。
Description
技术领域
本实用新型属于传感应用技术领域，涉及一种仿生毛发传感器，具体的说是涉及一种能测量出周围气流变化、水流变化和振动情况的仿水黾感觉毛传感器测量装置。
背景技术
目前，只有少数研究者或机构已开始研究和制作仿生毛发传感器，按原理或方法主要分为电容式、压阻式、热敏式、压电式、磁性和光学传感器等。
基于热敏效应，例如热丝风速计(HWA)作为气流传感器已经得到很好的研究和商业化应用。当气流穿过热元件时，会引起它的温度发生变化；热元件的温度的变化表明了冷却速度和气流的流速。但基于这种传感原理，它几乎没有与生物毛发感受器相似的属性。
基于压阻式和电容式原理的仿生毛发流量传感器BHFS(Biomimetic hair flow
sensors)是目前比较成熟的方案。几个研究小组已经开发出基于电容原理的复杂的BHFS原型。在荷兰特文特大学的MESA+纳米技术研究所通过蟋蟀尾叶的灵感，开发基于电容传感原理的仿生毛发传感器。在他们的设计中，将悬臂梁底部和一个微型可变电容相连，当有气流流经悬臂梁时，悬臂梁弯曲偏转，引起电容值发生变化。通过测量电容值的变化，可以计算出引起悬臂梁弯曲的气流大小。把多个这样的仿生毛发传感器排列成阵列，可以计算出气流流场的方向和大小。
一些学者也研究了基于其它传感原理的BHFS，例如光学的、压电的、电磁的，但大多是在起步阶段，或仅限于实验室研究。Klein等研究和测试了基于光学原理，模仿鱼类神经丘结构的流量传感器，来确定物体的位置、测量涡旋脱落频率和血流速度。在他们的设计中，使用透明有机硅棒模仿毛发，并由LED、光纤和光晶体管组成光学系统来检测毛发的弯曲。
在另一些研究中，新开发的磁致伸缩合金Galfenol线因为在纳米尺度上提供了一个极好的磁致伸缩效应和良好的弯曲效果，所以成为声波传感的候选材料。由纳米线的弯曲引起磁化强度的变化，可以使用AWG34电磁线的拾取线圈或GMR传感器来检测。
与压阻材料的原理不同，压电材料外加机械载荷或变形时，会产生电荷；而压电材料外加电场时，会产生变形。这两种特性使压电材料分别广泛应用于传感器和驱动器。Liu等和Li等热拉丝成型的方法制备了聚偏氟乙烯(PVDF)微/纳米纤维，该纤维沿拉伸方向喷上电极，经高温极化后，对压力刺激有响应。这种纤维测量流速的潜力已被初步的研究验证。Yu等制造了以PZT纤维为基础的人工毛发流量传感器。传感元件是一种直径为250um的PZT纤维。流体流动引起该元件发生弯曲，产生的电荷，由不同设计的电极进行收集。由于PZT纤维的易碎性质，他们把纤维附着到一个柔顺的双螺旋线上，也用交叉指形电极改善了设计。传感器的概念设计通过初步实验的验证，实验结果显示，传感器在定向灵敏度上示出了一个近乎完美的余弦函数。目前正在采取按比例缩小的方法，制造微、纳米级压电材料为基础的毛发流量传感器。
上述电容式或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。所以它们具有可靠性低、精度低，反应慢和结构复杂等缺点。
实用新型内容
本实用新型针对上述仿生毛发传感器可靠性低、精度低、反应慢、结构复杂等不足，提出一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，可以实现对被测环境中的气流或者水流流速的实时监测，通过计算纤维表面电极产生的电荷大小直接测量出周围气流或者水流的流速。克服了现有电容式和压阻式传感器测量装置的缺点，获取信息完整、精度高、速度快、结构简单和直接测量空气或者水流流速。可以实现对空气或者水流流速的准确测量。
本实用新型的技术方案是：一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，其特征在于：所述测量装置为一种悬臂梁结构，包括PVDF压电纤维和基座，所述PVDF压电纤维一端与所述基座固定连接，所述PVDF压电纤维的另一端自由悬空，所述PVDF压电纤维通过阻尼器和弹簧与所述基座固定相连，所述PVDF压电纤维由中间金属芯、PVDF压电聚合物、对称电极和绝缘薄膜构成。
所述压电聚合物纤维是由中间金属芯、包裹在中间金属芯表面的PVDF压电聚合物、在PVDF压电聚合物表面涂布的对称电极和包裹在对称电极表面的一层绝缘薄膜组成。
所述中间金属芯为钼丝或钨丝，中间金属芯直径为0.08mm、0.09mm或0.10mm。
所述PVDF压电纤维横截面形状为圆形。
所述对称电极由两个中心线夹角为180°的电极一和电极二构成，电极一和电极二的包角均为120°，其中一个电极作为正极，另一个电极作为负极。
所述PVDF压电聚合物表面涂布的对称电极为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。
所述绝缘薄膜包裹在对称电极的表面，绝缘薄膜为绝缘软胶。
本实用新型的有益效果为：本实用新型提出的一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，结构简单，工作原理清晰，与传统的毛发传感器相比，本发明可以实现对被测环境中的气流或者水流流速的实时监测，当被测环境中的气流或者水流流动时，流动产生的应力应变会使得压电纤维发生弯曲变形，应力应变越大，纤维的弯曲变形程度也越大，反之越小，通过计算纤维表面电极产生的电荷大小直接测量出周围气流或者水流的流速。在自动机器人系统领域，如在水下自主车辆(UAV)和自我稳定的微型飞行器(MAVS)；以及生化与生物医学领域均可得到大量的应用。
附图说明
图1 为本实用新型的结构示意图。
图2 为本发明中PVDF压电纤维的结构示意图。
图中：基座1、阻尼2、PVDF压电纤维3、绝缘薄膜301、电极一302、中间金属芯303、电极二304、PVDF压电聚合物305。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
如图1-2所示，一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，测量装置为一种悬臂梁结构，包括PVDF压电纤维3和基座1，PVDF压电纤维3一端与基座1固定连接，PVDF压电纤维3的另一端自由悬空，PVDF压电纤维3通过阻尼器2和弹簧4与基座1固定相连，PVDF压电纤维3由中间金属芯303、PVDF压电聚合物305、对称电极(302和304)和绝缘薄膜301构成。
如图1-2所示，一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，压电聚合物纤维3是由中间金属芯303、包裹在中间金属芯303表面的PVDF压电聚合物305、在PVDF压电聚合物305表面涂布的对称电极和包裹在对称电极表面的一层绝缘薄膜301组成；中间金属芯303为钼丝或钨丝，中间金属芯303直径为0.08mm、0.09mm或0.10mm；PVDF压电纤维3横截面形状为圆形；对称电极由两个中心线夹角为180°的电极一302和电极二304构成，电极一302和电极二304的包角均为120°，其中一个电极作为正极，另一个电极作为负极；PVDF压电聚合物3表面涂布的对称电极为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑；绝缘薄膜301包裹在对称电极的表面，绝缘薄膜301为绝缘软胶。
如图1-2所示，一种仿水黾感觉毛传感器测量装置的工作原理如下：将制备好的PVDF压电纤维用弹簧和阻尼固定安装在仿水黾感觉毛传感器的基座上，最后放在空气中或者水中，测试空气流速或者水面流速。当仿水黾感觉毛传感器置于空气中或者水中时，空气流速或者水流流速会对PVDF压电纤维产生一个应力应变，因此压电纤维的受力的一端会向不受力的一端发生弯曲变形，受力越大，压电纤维的变形量越大，反之越小。受力的一端会产生一个向后的拉力，因此需要一根弹簧将PVDF压电纤维拉住。不受力的一端会产生一个向前的推力，因此需要一个阻尼器将PVDF压电纤维托住。PVDF压电纤维的固定端在阻尼器和弹簧力的作用下始终保持平衡状态。PVDF压电纤维在发生弯曲变形时，纤维表面的两个电极输出一个电荷值，变形量越大，输出的电荷值也越大。仿水黾感觉毛传感器在检测空气流速或者水流流速之前需要将PVDF压电纤维上的两个电极用金属引线链接到电荷放大器的输入端，将电荷放大器的输出端和数据采集卡连接上，再将数据采集卡连接到电脑上。通过仿水黾感觉毛传感器测量空气流速和水流流速所得到的数据进行分析，即可以直接测量出具体的空气流速和水流流速。
仿生感觉毛传感应用已经参与了许多前沿技术，从自动机器人系统，如在水下自主车辆(UAV)和自我稳定的微型飞行器(MAVS)，到生化与生物医学这些方面的应用。这些应用要求仿生感觉毛传感器具有如多维映射，低检测阈值，短响应时间，低成本，高耐久性和检测流场分布。这就给仿生感觉毛传感器的快速发展提供了机会，形成相当可观的仿水黾感觉毛传感器产业的发展。
Claims (7)
1.一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，其特征在于：所述测量装置为一种悬臂梁结构，包括PVDF压电纤维(3)和基座(1)，所述PVDF压电纤维(3)一端与所述基座(1)固定连接，所述PVDF压电纤维(3)的另一端自由悬空，所述PVDF压电纤维(3)通过阻尼器(2)和弹簧(4)与所述基座(1)固定相连，所述PVDF压电纤维(3)由中间金属芯(303)、PVDF压电聚合物(305)、对称电极(302和304)和绝缘薄膜(301)构成。
2.根据权利要求1所述的一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，其特征在于：所述压电聚合物纤维(3)是由中间金属芯(303)、包裹在中间金属芯(303)表面的PVDF压电聚合物(305)、在PVDF压电聚合物(305)表面涂布的对称电极(302和304)和包裹在对称电极表面的一层绝缘薄膜(301)组成。
3.根据权利要求1所述的一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，其特征在于：所述中间金属芯(303)为钼丝或钨丝，中间金属芯(303)直径为0.08mm、0.09mm或0.10mm。
4.根据权利要求1所述的一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，其特征在于：所述PVDF压电纤维(3)横截面形状为圆形。
5.根据权利要求1所述的一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，其特征在于：所述对称电极由两个中心线夹角为180°的电极一(302)和电极二(304)构成，电极一(302)和电极二(304)的包角均为120°，其中一个电极作为正极，另一个电极作为负极。
6.根据权利要求1所述的一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，其特征在于：所述PVDF压电聚合物(3)表面涂布的对称电极为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。
7.根据权利要求1所述的一种仿水黾感觉毛传感器测量装置，其特征在于：所述绝缘薄膜(301)包裹在对称电极的表面，绝缘薄膜(301)为绝缘软胶。
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