基于建筑变形监测的高性能压力传感器的仿真研究

张 昊,阙妙玲,李静雯

(苏州科技大学电子与信息工程学院,江苏 苏州 215009)

0 引言

随着社会经济和城乡建设的快速发展,建筑物数量不断增加,同时对建筑物的安全及健康监测技术提出更高的需求。由于地质结构变化、地下水位变化以及建筑自身载荷分布等因素,经常会引发建筑物内部应力分布不均匀现象,从而导致建筑物变形[1]。因此,对建筑物变形进行精准、长效的监测是保证建筑物与人身安全的有效措施[2-3]。现代多种非接触式建筑变形检测技术均可实现低成本、较高精度的测量[4],如干涉雷达(InSAR)[5]、多波测距、激光扫描[6-7]、摄影测量[8]和GPS观测等。但监测频率和位置依旧是根据过往经验进行主观选择[9],同时,现有的电阻应变片检测方法由于易受现场环境温度、湿度的影响,难以实现长期监测[10]。相比于传统刚性传感器,柔性压力传感器拥有无可比拟的优势[11],已经在建筑领域陆续展开应用[12]。根据传感机理,柔性压力传感器可分为电阻式、电容式和压电式。其中,柔性压电式压力传感器具有高灵敏度、动态响应及低能耗等优点,更适合用于长期监测过程。因此,本文提出利用微型柔性压电传感器实现长期监测建筑内应力变化。本文主要围绕柔性压电式压力传感器进行结构设计与仿真研究,探索满足建筑变形监测需求的高性能压力传感器及其阵列。压电式压力传感器的灵敏度主要取决于材料的压电性能和压电层的应变能力。聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料具有密度小、质量轻、信号稳定及耐冲击等优点,适合作为内嵌式压力传感器的传感层[13]。利用COMSOL多物理场耦合软件构建并对比传感层不同形态、表面修饰不同微结构等因素对器件传感性能的影响,通过对传感层表面微结构的改进提升器件的灵敏度。最后,为了提高力学信号的探测精度与监测面积,对传感器阵列模型展开设计与研究。构建5×5传感器阵列模型,并通过模拟计算分析其对压力信号的空间探测分辨率。

1 传感器建模

本文利用COMSOL仿真软件构建压电式微型传感器模型,如图1所示。传感器整体呈上下对称结构,包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底层、Cu电极层以及PVDF传感层。其中,PVDF传感层为压电材料,在应力作用下会产生压电电荷,传感层的尺寸为1 mm×1 mm,厚度为0.8 mm。

图1 传感器结构示意

根据电磁公式(1)和胡克定律(2)可以推导压电关系公式。

D=εE

(1)

S=sT

(2)

式中:D为电位移;ε为介电常数;E为电场强度;S为应变;s为弹性系数;T为外加应力[14]。

其相互作用可以描述为:

D=dT+εTE

(3)

S=sET+dtE

(4)

式中:d为压电应变常数;dt为d矩阵的转置矩阵;sE为场强恒定时的弹性系数;εT为应力恒定时的介电常数[15]。

外电场强度与形变成正比,电位移与外电场强度成正比,因此,应变能力越强,相同压力下的压电信号输出就越大。通过增强传感器的形变能力可以有效提高其压电势响应。

压力传感器的灵敏度通常用单位压强下的输出信号来表示。因此,压电传感器的灵敏度可以定义为

S=V/p

(5)

式中:V为压电势;p为压强。

通过上述分析可知,通过改进传感层的应变能力可以有效提高传感器的灵敏度。因此,针对传感层的结构设计展开建模与仿真研究。仿真研究过程中所使用的PVDF材料属性如表1所示,其在弹性限度范围内服从胡克定律。利用固体力学与静电物理场,在压电层下表面施加固定约束,并在压电层上表面施加沿Z轴向下的边界载荷。仿真研究中将压电层下表面接地,通过仿真计算获取器件在应变作用下所产生的压电效应,进而分析压电层结构对器件传感性能的影响。

表1 仿真中采用的PVDF材料参数

2 仿真研究

2.1 传感层表面微结构设计

传统平面结构传感层的应变能力有限,导致其传感性能受限。为了改善传感层的应变能力,在建模过程中分别引入3种不同的表面微结构,包括圆柱体、圆锥体和半球体,并对表面微结构的尺寸、排布方式等影响因素进行了设计与研究,通过仿真实验,对比分析表面微结构的引入对压电式压力传感器性能的影响。

基于圆柱体、圆锥体和半球体3种不同表面微结构的器件结构如图2所示,3种微结构的底面半径(0.3 mm)、垂直高度(0.2 mm)等参数保持一致。在传感层上表面施加垂直向下的压力,3类器件的压力传感仿真计算结果如图3所示。在1 kPa压强下,基于半球体、圆锥体和圆柱体3种微结构的器件其压电势分别为 7 850 V、2 230 V与963 V。其中,基于圆锥体微结构的传感器压电势明显高于圆柱体,表明圆锥体微结构具有更强的应变能力。同时,如图4所示,基于半球体微结构的器件在1 000 kPa压强下产生的最大压电势为7.85 kV,最小压电势为-0.56 V,但是由于半球体微结构的传感器上下两传感层的接触面积较小,变形过程中极易发生偏移,这将直接影响传感器的机械稳定性,进而大幅降低使用寿命。因此,综合考虑传感器件的灵敏度、稳定性等性能,圆锥体更适合作为传感层的表面微结构。

图2 3种不同表面微结构的器件结构

图3 3种微结构传感器的压电势

图4 半球微结构偏移现象

2.2 传感层孔隙设计

除了引入表面微结构以外,在实心压电传感层引入孔隙可以进一步提高传感层的应变能力与压电输出信号。为了研究传感层孔隙分布对其压电传感性能的影响,本文在实心圆锥结构基础上设计了3种不同的孔隙。首先,在实心圆锥中心引入半径为0.05 mm的等高圆柱孔,构建器件Ⅰ(空心圆锥结构),如图5b所示。然后,在空心圆锥的侧面继续增加4个半径为0.05 mm的圆柱孔,构建器件Ⅱ模型,如图5c所示。最后,在保持侧面微孔总容积不变的情况下,将器件Ⅱ中每个半径为0.05 mm的大孔进行拆分,使用25个均匀分布的半径为0.01 mm的小孔进行替代,从而构建了器件Ⅲ,如图5d所示。其中,器件Ⅱ和器件Ⅲ的孔隙率(13.8%)明显大于器件Ⅰ(2.7%)。

图5 4类器件

对上述4类器件分别进行仿真计算，仿真结果如图6所示。由图6可知：在相同压强下，引入孔隙后，器件Ⅰ～器件Ⅲ的压电势明显高于实心圆锥器件，验证了在传感层引入孔隙可以有助于增强其传感特性；相比于器件Ⅰ，器件Ⅱ和器件Ⅲ的压电势明显升高，这表明传感层的压电势随着孔隙率的增加而增强；通过对比器件Ⅱ和器件Ⅲ的计算结果可知，在相同压强、相同孔隙率下，器件Ⅲ比器件Ⅱ产生的压电势更强，这进一步证明了孔隙的分布方式是影响压电传感层应变能力的重要因素。根据压力传感器的灵敏度公式，分别计算上述4类器件的灵敏度参数，结果如图7所示。由图7可知，器件Ⅲ的灵敏度为2.8 V/kPa，相比于实心圆锥结构的灵敏度提升了约26%。以上研究结果表明，通过引入孔隙并优化其分布方式能够有效增加传感层对力学信号的响应强度与灵敏度。

图6 4种器件的压电势

图7 4种器件的灵敏度

2.3 传感层孔隙优化

为了进一步提升压力传感器性能,对微孔的形状、分布方式等因素进行优化设计,利用实心圆锥结构与狼牙棒微柱做差集,构建新型器件结构Ⅳ,如图8所示。相比于器件Ⅲ,器件Ⅳ每个微孔的内壁四周增加了更多的次级微孔,进而提高了传感层的孔隙率。

图8 新型器件结构

对器件Ⅲ和器件Ⅳ模型分别进行仿真计算,通过体积变化的大小与物体原来体积之比定义其体积应变,如图9所示。可以发现,在200 kPa压强下,器件Ⅳ的体积应变与压电势明显高于器件Ⅲ。相比于器件Ⅲ,器件Ⅳ的体积应变提高了1 000倍,压电势增强了3.8%。这表明随着传感层孔隙率的增加,压力传感器的压电势响应增强。

图9 仿真计算结果

由上述研究结果可知,通过改进器件模型提高传感层的孔隙率,可以提升器件的传感性能。在构建模型过程中,通过增加狼牙棒微柱上突刺的密度,可以有效增加次级微孔的数量,以获得孔隙率更高的器件结构。在不改变突刺大小的情况下,分别创建了每列5、15、25个突刺的狼牙棒微柱模型,并命名为WTS1、WTS2、WTS3,如图10所示。将实心圆锥模型与3种不同密度的狼牙棒微柱做差集后,形成了3种不同孔隙率的压力传感器件,并通过施加外部压力进行仿真模拟计算。由图11和图12可见,在0～1 000 kPa压强下,压力传感器的压电信号强度与灵敏度随次级微孔密度的增加而增大,其中WTS3器件的灵敏度最高为2.95 V/kPa,相比于实心圆锥微结构传感器,其灵敏度提升了34.1%。

图10 不同突刺密度的狼牙棒微柱

图11 3种器件的压电势(内嵌图为0～0.2 kPa内压电势)

图12 3种器件的灵敏度

另一种增加传感层孔隙率的方法是在现有狼牙棒突刺的基础上添加尺寸更小的突刺(图13d),即引入第三级微孔隙(图13e)。通过构建传感器模型并进行仿真计算,由对比结果可见,在相同压强作用下,引入第3级微孔隙后,传感器WTS3相比于器件WTS2压电势增强了200 mV(图13c～图13f),这表明第3级微孔隙的引入有效改善了压力传感器的传感性能。

图13 仿真计算结果

2.4 传感器阵列设计

由于引起建筑变形的内应力会向四周扩散,为了对建筑物内应力进行更加准确的定位与追踪,需要设计传感器阵列,实现对于多点力学信号的监测。因此,利用COMSOL仿真软件,构建了5×5的压电传感器阵列模型,其中单个传感器尺寸为1 mm×1 mm。通过对传感器阵列施加不同形状的面状压力信号,包括3种形状,即字母I、O和Y (图14a～图14c),计算该压力传感器阵列模型对于多点压力信号的压电势响应。如图14d～图14f所示,仿真结果可以清晰地显示不同面状压力信号的接触位置,而且非受力点处的传感器几乎没有响应,这表明该压力传感器阵列能够精准地探测面状力学信号,而且对于力学信号的传感具有良好的空间分辨率,可以为判断建筑物内应力的产生位置及传播路径提供有力依据。

图14 压电传感器阵列在I、O、Y字母形状压力信号下的压电势响应

3 结束语

本文主要研究柔性微型压电传感器在建筑变形监测领域的应用,通过优化传感层表面微结构、增加孔隙率和优化孔隙分布等方法逐步改进传感器结构,使柔性压电传感器获得更高的响应度和灵敏度,通过对比实验及其结果获得如下结论:

a.相比于平面结构,传感层引入表面微结构可有效提升其应变能力;在相同压强下,基于圆锥体微结构的器件具有较高的压电信号与机械稳定性。

b.在传感层引入微孔隙可以进一步提高传感器性能,200 kPa压强下,优化后的器件WTS3与初始平面传感层器件相比,其压电势传感信号分别为449 V与76.1 V,传感器的响应度提高了490%;其传感灵敏度分别为2.95 V/kPa 与0.38 V/kPa,传感器的灵敏度提高了676%。

c.设计并构建了压力传感器阵列模型,该阵列模型可以完成不同面状力学信号的监测,并具有良好的空间分辨率,可以进一步实现建筑物内应力的精准定位与追踪,能够及时监测并预防建筑变形带来的安全隐患,确保建筑工程的安全性。