基于建筑變形監測的高性能壓力傳感器的仿真研究

張 昊,闕妙玲,李靜雯

(蘇州科技大學電子與信息工程學院,江蘇 蘇州 215009)

0 引言

隨著社會經濟和城鄉建設的快速發展,建筑物數量不斷增加,同時對建筑物的安全及健康監測技術提出更高的需求。由于地質結構變化、地下水位變化以及建筑自身載荷分布等因素,經常會引發建筑物內部應力分布不均勻現象,從而導致建筑物變形[1]。因此,對建筑物變形進行精準、長效的監測是保證建筑物與人身安全的有效措施[2-3]?，F代多種非接觸式建筑變形檢測技術均可實現低成本、較高精度的測量[4],如干涉雷達(InSAR)[5]、多波測距、激光掃描[6-7]、攝影測量[8]和GPS觀測等。但監測頻率和位置依舊是根據過往經驗進行主觀選擇[9],同時,現有的電阻應變片檢測方法由于易受現場環境溫度、濕度的影響,難以實現長期監測[10]。相比于傳統剛性傳感器,柔性壓力傳感器擁有無可比擬的優勢[11],已經在建筑領域陸續展開應用[12]。根據傳感機理,柔性壓力傳感器可分為電阻式、電容式和壓電式。其中,柔性壓電式壓力傳感器具有高靈敏度、動態響應及低能耗等優點,更適合用于長期監測過程。因此,本文提出利用微型柔性壓電傳感器實現長期監測建筑內應力變化。本文主要圍繞柔性壓電式壓力傳感器進行結構設計與仿真研究,探索滿足建筑變形監測需求的高性能壓力傳感器及其陣列。壓電式壓力傳感器的靈敏度主要取決于材料的壓電性能和壓電層的應變能力。聚偏氟乙烯(PVDF)壓電材料具有密度小、質量輕、信號穩定及耐沖擊等優點,適合作為內嵌式壓力傳感器的傳感層[13]。利用COMSOL多物理場耦合軟件構建并對比傳感層不同形態、表面修飾不同微結構等因素對器件傳感性能的影響,通過對傳感層表面微結構的改進提升器件的靈敏度。最后,為了提高力學信號的探測精度與監測面積,對傳感器陣列模型展開設計與研究。構建5×5傳感器陣列模型,并通過模擬計算分析其對壓力信號的空間探測分辨率。

1 傳感器建模

本文利用COMSOL仿真軟件構建壓電式微型傳感器模型,如圖1所示。傳感器整體呈上下對稱結構,包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)襯底層、Cu電極層以及PVDF傳感層。其中,PVDF傳感層為壓電材料,在應力作用下會產生壓電電荷,傳感層的尺寸為1 mm×1 mm,厚度為0.8 mm。

圖1 傳感器結構示意

根據電磁公式(1)和胡克定律(2)可以推導壓電關系公式。

D=εE

(1)

S=sT

(2)

式中:D為電位移;ε為介電常數;E為電場強度;S為應變;s為彈性系數;T為外加應力[14]。

其相互作用可以描述為:

D=dT+εTE

(3)

S=sET+dtE

(4)

式中:d為壓電應變常數;dt為d矩陣的轉置矩陣;sE為場強恒定時的彈性系數;εT為應力恒定時的介電常數[15]。

外電場強度與形變成正比,電位移與外電場強度成正比,因此,應變能力越強,相同壓力下的壓電信號輸出就越大。通過增強傳感器的形變能力可以有效提高其壓電勢響應。

壓力傳感器的靈敏度通常用單位壓強下的輸出信號來表示。因此,壓電傳感器的靈敏度可以定義為

S=V/p

(5)

式中:V為壓電勢;p為壓強。

通過上述分析可知,通過改進傳感層的應變能力可以有效提高傳感器的靈敏度。因此,針對傳感層的結構設計展開建模與仿真研究。仿真研究過程中所使用的PVDF材料屬性如表1所示,其在彈性限度范圍內服從胡克定律。利用固體力學與靜電物理場,在壓電層下表面施加固定約束,并在壓電層上表面施加沿Z軸向下的邊界載荷。仿真研究中將壓電層下表面接地,通過仿真計算獲取器件在應變作用下所產生的壓電效應,進而分析壓電層結構對器件傳感性能的影響。

表1 仿真中采用的PVDF材料參數

2 仿真研究

2.1 傳感層表面微結構設計

傳統平面結構傳感層的應變能力有限,導致其傳感性能受限。為了改善傳感層的應變能力,在建模過程中分別引入3種不同的表面微結構,包括圓柱體、圓錐體和半球體,并對表面微結構的尺寸、排布方式等影響因素進行了設計與研究,通過仿真實驗,對比分析表面微結構的引入對壓電式壓力傳感器性能的影響。

基于圓柱體、圓錐體和半球體3種不同表面微結構的器件結構如圖2所示,3種微結構的底面半徑(0.3 mm)、垂直高度(0.2 mm)等參數保持一致。在傳感層上表面施加垂直向下的壓力,3類器件的壓力傳感仿真計算結果如圖3所示。在1 kPa壓強下,基于半球體、圓錐體和圓柱體3種微結構的器件其壓電勢分別為 7 850 V、2 230 V與963 V。其中,基于圓錐體微結構的傳感器壓電勢明顯高于圓柱體,表明圓錐體微結構具有更強的應變能力。同時,如圖4所示,基于半球體微結構的器件在1 000 kPa壓強下產生的最大壓電勢為7.85 kV,最小壓電勢為-0.56 V,但是由于半球體微結構的傳感器上下兩傳感層的接觸面積較小,變形過程中極易發生偏移,這將直接影響傳感器的機械穩定性,進而大幅降低使用壽命。因此,綜合考慮傳感器件的靈敏度、穩定性等性能,圓錐體更適合作為傳感層的表面微結構。

圖2 3種不同表面微結構的器件結構

圖3 3種微結構傳感器的壓電勢

圖4 半球微結構偏移現象

2.2 傳感層孔隙設計

除了引入表面微結構以外,在實心壓電傳感層引入孔隙可以進一步提高傳感層的應變能力與壓電輸出信號。為了研究傳感層孔隙分布對其壓電傳感性能的影響,本文在實心圓錐結構基礎上設計了3種不同的孔隙。首先,在實心圓錐中心引入半徑為0.05 mm的等高圓柱孔,構建器件Ⅰ(空心圓錐結構),如圖5b所示。然后,在空心圓錐的側面繼續增加4個半徑為0.05 mm的圓柱孔,構建器件Ⅱ模型,如圖5c所示。最后,在保持側面微孔總容積不變的情況下,將器件Ⅱ中每個半徑為0.05 mm的大孔進行拆分,使用25個均勻分布的半徑為0.01 mm的小孔進行替代,從而構建了器件Ⅲ,如圖5d所示。其中,器件Ⅱ和器件Ⅲ的孔隙率(13.8%)明顯大于器件Ⅰ(2.7%)。

圖5 4類器件

對上述4類器件分別進行仿真計算，仿真結果如圖6所示。由圖6可知：在相同壓強下，引入孔隙后，器件Ⅰ～器件Ⅲ的壓電勢明顯高于實心圓錐器件，驗證了在傳感層引入孔隙可以有助于增強其傳感特性；相比于器件Ⅰ，器件Ⅱ和器件Ⅲ的壓電勢明顯升高，這表明傳感層的壓電勢隨著孔隙率的增加而增強；通過對比器件Ⅱ和器件Ⅲ的計算結果可知，在相同壓強、相同孔隙率下，器件Ⅲ比器件Ⅱ產生的壓電勢更強，這進一步證明了孔隙的分布方式是影響壓電傳感層應變能力的重要因素。根據壓力傳感器的靈敏度公式，分別計算上述4類器件的靈敏度參數，結果如圖7所示。由圖7可知，器件Ⅲ的靈敏度為2.8 V/kPa，相比于實心圓錐結構的靈敏度提升了約26%。以上研究結果表明，通過引入孔隙并優化其分布方式能夠有效增加傳感層對力學信號的響應強度與靈敏度。

圖6 4種器件的壓電勢

圖7 4種器件的靈敏度

2.3 傳感層孔隙優化

為了進一步提升壓力傳感器性能,對微孔的形狀、分布方式等因素進行優化設計,利用實心圓錐結構與狼牙棒微柱做差集,構建新型器件結構Ⅳ,如圖8所示。相比于器件Ⅲ,器件Ⅳ每個微孔的內壁四周增加了更多的次級微孔,進而提高了傳感層的孔隙率。

圖8 新型器件結構

對器件Ⅲ和器件Ⅳ模型分別進行仿真計算,通過體積變化的大小與物體原來體積之比定義其體積應變,如圖9所示?？梢园l現,在200 kPa壓強下,器件Ⅳ的體積應變與壓電勢明顯高于器件Ⅲ。相比于器件Ⅲ,器件Ⅳ的體積應變提高了1 000倍,壓電勢增強了3.8%。這表明隨著傳感層孔隙率的增加,壓力傳感器的壓電勢響應增強。

圖9 仿真計算結果

由上述研究結果可知,通過改進器件模型提高傳感層的孔隙率,可以提升器件的傳感性能。在構建模型過程中,通過增加狼牙棒微柱上突刺的密度,可以有效增加次級微孔的數量,以獲得孔隙率更高的器件結構。在不改變突刺大小的情況下,分別創建了每列5、15、25個突刺的狼牙棒微柱模型,并命名為WTS1、WTS2、WTS3,如圖10所示。將實心圓錐模型與3種不同密度的狼牙棒微柱做差集后,形成了3種不同孔隙率的壓力傳感器件,并通過施加外部壓力進行仿真模擬計算。由圖11和圖12可見,在0～1 000 kPa壓強下,壓力傳感器的壓電信號強度與靈敏度隨次級微孔密度的增加而增大,其中WTS3器件的靈敏度最高為2.95 V/kPa,相比于實心圓錐微結構傳感器,其靈敏度提升了34.1%。

圖10 不同突刺密度的狼牙棒微柱

圖11 3種器件的壓電勢(內嵌圖為0～0.2 kPa內壓電勢)

圖12 3種器件的靈敏度

另一種增加傳感層孔隙率的方法是在現有狼牙棒突刺的基礎上添加尺寸更小的突刺(圖13d),即引入第三級微孔隙(圖13e)。通過構建傳感器模型并進行仿真計算,由對比結果可見,在相同壓強作用下,引入第3級微孔隙后,傳感器WTS3相比于器件WTS2壓電勢增強了200 mV(圖13c～圖13f),這表明第3級微孔隙的引入有效改善了壓力傳感器的傳感性能。

圖13 仿真計算結果

2.4 傳感器陣列設計

由于引起建筑變形的內應力會向四周擴散,為了對建筑物內應力進行更加準確的定位與追蹤,需要設計傳感器陣列,實現對于多點力學信號的監測。因此,利用COMSOL仿真軟件,構建了5×5的壓電傳感器陣列模型,其中單個傳感器尺寸為1 mm×1 mm。通過對傳感器陣列施加不同形狀的面狀壓力信號,包括3種形狀,即字母I、O和Y (圖14a～圖14c),計算該壓力傳感器陣列模型對于多點壓力信號的壓電勢響應。如圖14d～圖14f所示,仿真結果可以清晰地顯示不同面狀壓力信號的接觸位置,而且非受力點處的傳感器幾乎沒有響應,這表明該壓力傳感器陣列能夠精準地探測面狀力學信號,而且對于力學信號的傳感具有良好的空間分辨率,可以為判斷建筑物內應力的產生位置及傳播路徑提供有力依據。

圖14 壓電傳感器陣列在I、O、Y字母形狀壓力信號下的壓電勢響應

3 結束語

本文主要研究柔性微型壓電傳感器在建筑變形監測領域的應用,通過優化傳感層表面微結構、增加孔隙率和優化孔隙分布等方法逐步改進傳感器結構,使柔性壓電傳感器獲得更高的響應度和靈敏度,通過對比實驗及其結果獲得如下結論:

a.相比于平面結構,傳感層引入表面微結構可有效提升其應變能力;在相同壓強下,基于圓錐體微結構的器件具有較高的壓電信號與機械穩定性。

b.在傳感層引入微孔隙可以進一步提高傳感器性能,200 kPa壓強下,優化后的器件WTS3與初始平面傳感層器件相比,其壓電勢傳感信號分別為449 V與76.1 V,傳感器的響應度提高了490%;其傳感靈敏度分別為2.95 V/kPa 與0.38 V/kPa,傳感器的靈敏度提高了676%。

c.設計并構建了壓力傳感器陣列模型,該陣列模型可以完成不同面狀力學信號的監測,并具有良好的空間分辨率,可以進一步實現建筑物內應力的精準定位與追蹤,能夠及時監測并預防建筑變形帶來的安全隱患,確保建筑工程的安全性。