Kynar Flex 2900-04 PVDF觸滑覺傳感器結(jié)構(gòu)及其調(diào)理電路設(shè)計
目前，在機(jī)器人仿生皮膚的信息采集中，觸滑覺的識別*關(guān)鍵，且難度*大。因其柔韌性好，輕盈，頻帶響應(yīng)寬等特點(diǎn)，從而基于壓電效應(yīng)的聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜傳感器在觸滑覺識別的研究中日益受到重視。PVDF在受到壓力或拉伸時會在兩表面產(chǎn)生相應(yīng)電荷，通過電荷的變化情況可分辨輕觸或是滑動。應(yīng)用PVDF壓電薄膜設(shè)計制作一種新型觸滑覺識別傳感器，并設(shè)計實現(xiàn)其調(diào)理電路。將微弱的電荷信號轉(zhuǎn)換為直觀的電壓信號來反映薄膜的電荷量變化情況，進(jìn)而實現(xiàn)觸滑覺的識別。
Kynar Flex 2900-04 PVDF壓電薄膜材料
PVDF是一種高分子聚合物。PVDF壓電薄膜在薄膜面受到應(yīng)力作用時，薄膜會在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而在其兩表面上產(chǎn)生正負(fù)等量電荷，并且產(chǎn)生的電荷的多少與薄膜的壓電系數(shù)、計劃方向上的應(yīng)力大小、薄膜的有效面積3個量有關(guān)。故可通過檢測薄膜的電荷量變化來反應(yīng)應(yīng)力的變化。PVDF薄膜在受到壓力或縱向力后會在兩極產(chǎn)生相應(yīng)電荷，從而產(chǎn)生電壓差。
Kynar Flex 2900-04 PVDF電荷放大器
PVDF壓電薄膜的輸出阻抗較高，所以只有在前置電荷放大電路噪聲低、輸入阻抗高時才能實現(xiàn)阻抗匹配。為此選用電壓控制電流型場效應(yīng)管集成放大器為宜。CA3140典型工作情況下輸入阻抗達(dá)1．5 TQ，適宜用作前置放大器的核心器件，在放大器可視為開路且其開環(huán)增益(K)相當(dāng)大時，其輸出電壓U 一KQ，即正比于傳感器的輸出電荷。因此可由電壓值反映傳感器的電荷變化，從而采集觸滑覺信息。
當(dāng)由PVDF壓電薄膜傳感器產(chǎn)生的電荷信號經(jīng)電荷放大電路高增益地放大后，原始電荷信號己轉(zhuǎn)換成有較好抗噪聲能力也方便后續(xù)傳輸、采集及處理的電壓信號。此時，電壓信號強(qiáng)度穩(wěn)定
電壓放大器
為了方便后續(xù)處理中對信號大小的要求，在電荷放大電路后，再連接一個可調(diào)增益的電壓放大電路，以便可根據(jù)具體應(yīng)用的需要，對所得到的電壓信號的幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以將前置電路的**級設(shè)計為電壓放大電路。
電壓放大電路的信號已經(jīng)是具有一定信噪比和抗干擾能力的電壓信號，電壓放大器只起到穩(wěn)定壓電信號及為后續(xù)進(jìn)一步處理需要預(yù)先做好準(zhǔn)備的作用。注意其放大輸出電壓不要超過A／D采集上限電壓和電源電壓。
Kynar Flex 2900-04 PVDF薄膜機(jī)電特性試驗裝置設(shè)計
發(fā)現(xiàn)PVDF壓電薄膜的壓電特性以來，國際上對PVDF 進(jìn)行了廣泛的研究，并在眾多領(lǐng)域中應(yīng)用］。PVDF 壓電薄膜是一種新型的高分子壓電材料，具有價格低，耐腐蝕性好，柔軟，靈敏度高，具有熱釋電性能等優(yōu)點(diǎn)，對工作環(huán)境的適應(yīng)性也較好，可任意分割并連續(xù)嵌入介質(zhì)層中，是目前普遍認(rèn)為作為研制觸覺傳感器的理想智能材料之一。
目前國內(nèi)外PVDF 的研究較成熟，但要實現(xiàn)可任意分割并連續(xù)嵌入介質(zhì)層中的觸覺傳感器仍有一定差距，尤其在頻率域內(nèi)PVDF 薄膜的復(fù)雜的粘彈性、介電和壓電性能的特點(diǎn)仍需進(jìn)一步作**研究。
Kynar Flex 2900-04 PVDF 膜介紹
PVDF 多為商用，其厚為１０～７６０μｍ，材料的２個表面上涂有薄的一層鎳、銅、鋁或銀，以增強(qiáng)導(dǎo)電性。此次試驗用錦州科信電子材料有限公司生產(chǎn)的１００μｍ 厚PVDF 壓電薄膜材料，根據(jù)試驗需將其裁剪為不同尺寸。不同厚度的PVDF 薄膜技術(shù)指標(biāo)不同，本研究選用具有更高魯棒性的厚１００ μｍ的PVDF 壓電薄膜。購買的材料已極化，且材料表面鍍銀，具有良好的導(dǎo)電性和抗氧化性。
結(jié)束語
用以研究PVDF 壓電薄膜的機(jī)電響應(yīng)特性的新型試驗裝置，利用此試驗裝置可對PVDF 膜在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)下的機(jī)電特性進(jìn)行**的研究。該試驗裝置的激勵源頻率范圍寬（１～２０ ｋＨｚ），可執(zhí)行效率高，試驗速度快，可忽略試驗過程中機(jī)械松弛對材料的影響。通過更換夾具，可對PVDF壓電薄膜在３ 個方向分別進(jìn)行試反而明顯增大，這說明補(bǔ)償過程引入了噪聲。利用低通濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和補(bǔ)償，陀螺漂移穩(wěn)定性有所提高，陀螺漂移的極差減小，與補(bǔ)償前大致相當(dāng)。利用小波消噪后的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和補(bǔ)償，不但陀螺漂移穩(wěn)定性明顯提高，且陀螺漂移的極差減小。這說明經(jīng)小波消噪后陀螺溫度漂移模型的有效性和適應(yīng)性都得到了改善。在建立光纖陀螺溫度漂移模型的基礎(chǔ)上，分別使用數(shù)字低通濾波和小波變換閾值法對溫度及溫度變化率數(shù)據(jù)進(jìn)行了消噪處理，通過實驗對各自模型的補(bǔ)償效果進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)噪聲對模型的補(bǔ)償效果影響很大，與傳統(tǒng)低通濾波方法相比，小波變換閾值消噪法對數(shù)據(jù)噪聲的濾除更為徹底，可明顯提高模型的補(bǔ)償效果。