刘豪华， 万 舟， 油锡存

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650000)

基于PVDF的振弦式次声波传感器设计

刘豪华， 万 舟， 油锡存

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650000)

针对当前用于次声波检测的次声波传感器存在的一些不足，设计一种基于PVDF的振弦式次声波传感器，建立了振弦、弹性元件、压电薄膜的数学模型，设计了调理电路，并对该传感器进行测试和验证。结果表明：该传感器具有能对次声波进行全方位接收、量程可调、灵敏度高、误差小等优点。

聚偏氟乙烯； 振弦式； 次声波传感器

0 引 言

在声波频段中，频率小于20 Hz的波段被称之为次声波。次声波具有频率低、波长长的特殊性，具有传播远、穿透力强、受干扰小等特征。次声波的存在十分广泛，例如：海上风暴、地震、火山喷发等自然灾害都有可能产生次声波[1]；生活中也常伴随着次声波，例如：大桥摇晃、汽车疾驶，甚至于家里的音响和搅拌机都会有次声波的产生[2]。目前有许多国家都在致力于次声波的研究，次声波武器、次声波勘探、次声波预测预警等都是最近的热点，可以预见，未来次声波将有更广阔的用途，因此，对次声波的检测具有极大的实用价值和科学意义。现有的用于次声波检测的次声波传感器还有一些诸如灵敏度低、频率范围小、体积大、不便于安装和对环境要求高等缺点，基于此，本文设计了一种基于PVDF的振弦式次声波传感器。

1 测量原理

本文设计的基于PVDF的振弦式次声波传感器，利用振弦作为接收元件，能够全方位地接收次声波并产生振动，振动通过弦马传递给弹性膜片，弹性膜片的振动引起贴在弹性膜片上的PVDF响应，PVDF压电薄膜具有良好的压电特性，可将接收到的振动频率的变化转变为电荷量的变化，然后通过调理电路将电荷量的变化转换成输出电压的变化，从而建立输出电压与次声波频率的关系[3]。此外，振弦的有效长度由2个弦马确定，其中一个弦马可在一定范围内移动，使振弦的有效长度可调，从而使本文所设计的传感器量程可调。

2 传感器的结构与设计方案

为了能够对次声波进行全方位接收，本文设计采用振弦作为接收元件[4]，振弦由支架两端的夹弦装置固定，为使所设计传感器量程可调，需使振弦的有效长度可调，两弦马之间的振弦长度为振弦的有效长度，为此,在固定支架右侧底板安装一导轨，右侧弦马可在导轨上移动，从而改变振弦的有效长度，左侧弦马需传递振弦的振动，因此,将左侧弦马安装在弹性膜片的圆心处，弹性膜片下侧粘贴PVDF压电薄膜，在固定支架左侧设计一圆形部分，用以固定弹性膜片。传感器结构如图1所示。

3 PVDF压电薄膜特性与粘贴位置分析

PVDF作为新型的高分子压电材料柔韧性好、机械强度高、振动模式简单、可在较大温度范围内工作，而且性能几乎不受湿度影响，对环境要求低。通过有限元软件ANSYS

图1 基于PVDF的振弦式次声波传感器结构图Fig 1 Structure diagram of vibration wire infrasonic wave sensor based on PVDF

对弹性膜片进行分析可知[5],应变在膜片中心处最大,且在半径1/2处出现径向应变拐点,且拐点到膜片边缘处的一段线性度非常好,这为本文设计的PVDF压电薄膜在弹性膜片上的粘贴位置选取提供了依据。图2中区域BOC为PVDF薄膜的最大粘贴区域，小圆代表PVDF薄膜。

图2 PVDF压电薄膜粘贴位置示意图Fig 2 Diagram of paste position of PVDF piezoelectric film

图2中,D代表一个微单元，对该点所受的径向应力进行分解，分解为水平方向和垂直方向的2个分量[6]，分解后,点的电荷量可表示为

dQ=EPd31ε31dS+EPd32ε32dS

=EP(d31εrcosθ+d32εrsinθ)dS,

(1)

式中d31,d32为PVDF薄膜的常数，且d31=23 pC/N,d32=5 pC/N；dQ为D点所产生的电荷量；dS为D点所表示区域的面积，ε31，ε32分别为PVDF薄膜的水平方向和垂直方向的应变分量，OB与OA的夹角为θ。

当单元D水平方向应力与平膜片径向应力相等，且垂直方向上应力为0时，则有

dQ′=EPd31εrdS.

(2)

联立式(1)、式(2)，有

(3)

当θ=10°，通过上式可以算出单元D的电荷量的比值为97.79 %。

结合上述计算和圆平膜片在直径路径方向上的径向应变的分析可得出：PVDF的最佳粘贴位置是θ=10°，长度为100 mm，宽度为60 mm的矩形区域，PVDF具体形状可以是该矩形，也可以是以矩形的宽为直径的内切圆，为了便于粘贴和节省材料选用直径为60 mm的圆形PVDF薄膜，其粘贴位置如图2中小圆的位置。

4 调理电路

PVDF压电薄膜将振动频率的变化转换为电荷量的变化后，需要将电荷的变化转换成电压的变化，电荷的整体转换电路如图3。

图3 电荷转换整体电路图Fig 3 Charge transfer integral circuit diagram

电荷放大器的通频带通常高于实际的需要，这些无用的高频频带的存在往往对低频测试会带来坏的影响，所以,在系统中设计低通滤波电路，如图4。

图4 低通滤波电路整体框图Fig 4 Overall block diagram of low pass filtering circuit

图4中,51单片机根据输入信号的频率控制模拟开关的切换，通过切换到不同的电阻和电容来改变截至频率。图4中二阶低通滤波器有4个同步可编程转折频率， 有11档转折频率。低频滤波后再将电压信号放大用于输出。

5 实验测试

利用信号发生器产生0～20 Hz的正弦激励信号，经输出功率为1 000 W的功率放大器放大后由大功率扬声器产生次声波，测试时将低通滤波器的截止频率调至21 Hz，对每一个测试频率进行10次测试，并记录测试结果。结果见表1。

表1表明：前4次测试的结果均为0，这就说明了在有效测试距离内,当给定频率小于0.2 Hz时，传感器没有响应，由此可以推断，0.2 Hz为该传感器的的下限频率；在0～1 Hz和1～20 Hz之间大致呈直线，由此可见在量程范围内，传感器的线性度较好。

由表1可知，随着测试频率的增大，误差会逐步减小。平均误差为E=3.13 %。

6 结束语

本文设计了基于PVDF的振弦式次声波传感，该传感器的结构设计使该传感器能够对次声波进行全方位接收，其测量范围可根据实际情况进行调节，从而提高了传感器的灵敏度，避免测量不同频率而使用同一量程所造成的灵敏度降低，对测试数据的分析结果表明该传感器误差小、精度高，具有极大的实用价值。

[1] 夏雅琴,崔晓艳,李均之，等.震前次声波异常信号的研究[J].北京工业大学学报，2011(3)：463-469.

[2] 陈小燕.跟你聊聊次声波[J].中学数理化，2011(8):54-55.

[3] 韩 冰,王 越,孟繁浩,等.基于PVDF压电材料的压力传感器设计[J].吉林大学学报:理学版,2012(2)：333-336.

[4] 杨佰源,张义同.工程弹塑性力学[M].北京：机械工业出版社，2003.

表1 给定输入频率和实测输出频率的相对误差Tab 1 Relative error of given input frequency and measured output frequency

[5] 吴振亭,崔 海.基于ANSYS技术的固支圆形膜片弹性特性分析[J].机械研究与应用,2006(2):47-54.

[6] 具典淑,周 智,欧进萍.PVDF压电薄膜的应变传感特性研究[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

刘豪华(1990-)，男，河南平顶山人，硕士研究生，主要研究方向为新型传感器技术。