一種基於多點pvdf壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統的製作方法
2023-09-14 14:41:00 1
一種基於多點pvdf壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統。該測試系統由PVDF壓電薄膜，絕緣薄膜基底，銅質柵線，引線，信號放大電路，信號採集電路組成。壓電薄膜位於絕緣薄膜基底上部，絕緣薄膜基底上光刻銅質柵線，將柵線上下表面接引線，上表面作為信號引出端，下表面接地，信號引出端與放大電路輸入端連接，放大電路輸出端與信號採集電路連接。本發明應用了新型高分子材料PVDF壓電薄膜，設計了一種迅速準確、操作便捷、結構簡單的雨滴動能測試系統，能夠快速方便的得到雨滴打擊動能，並且能夠實現多點實時測量及一定範圍內雨滴打擊強度的測試，並且能夠消除單點測試誤差，為農業領域中測試移動噴灌設備的衝擊力提供可能。
【專利說明】—種基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於雨滴打擊動能測試裝置，特別涉及一種基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統，適用於測量噴灌設備產生的雨滴對地面、植株表面及內部打擊力和打擊動能。
【背景技術】
[0002]雨滴的擊濺打擊作用是裸露土壤侵蝕的主要動力，雨滴衝擊動能對鈣，鎂，鈉鈣和鈉鎂在土壤中滲透率有很大影響，當雨滴衝擊動能上升時，土壤板結程度也相應增加，並且雨滴打擊力對嫩葉的作用會直接影響農作物的產量和質量，因此雨滴打擊力和打擊動能是選擇噴灌設備的重要影響因素之一，也是精準灌溉重要參數之一。
[0003]現有的雨滴打擊力測量傳感器主要有數學模型法，高速攝影法，雷射法，聲學傳感器測量法以及應變計測量法。但是上述方法都存在著局限性，在測量噴灌水滴對作物內部，上方和周圍的衝擊力大小方面，尤其是實時測量方面難以實現。數學模型法通常結合高速攝影法和雷射法使用，主要用於測定水滴的速度和尺寸。高速攝影法在實驗中廣泛使用，用以分析一束水滴流的作用，但是這種方法在測量多束共存水滴流的情況時無能為力。聲學傳感器過大，應變計需要電力和其他元件，例如電阻、放大器和濾波器，這就限制了傳感器的使用範圍和使用時間。國外目前比較典型的雨滴傳感器是自動控制汽車雨刮器的傳感器。國內起步較晚，技術還不成熟，雨滴傳感器在農業方面的應用較少。
[0004]新型高分子材料PVDF壓電薄膜具有十分優良的性能，其變力響應靈敏度比石英晶體高10倍，壓電電壓輸出常數g= 174是所有壓電體中最高的；其機械品質因素低，阻尼小，密度低，具有寬帶特性，能滿足脈搏信號的頻率特性，由於PVdF膜的柔性及其厚度方向伸縮振動的諧振頻率很高，其在很寬範圍內有平坦的頻率響應(響應範圍是0.1-1OOMHz)，單滴雨滴打擊動能的頻率非常低，約為0.5?4Hz，因此，從理論上講，PVDF壓電薄膜是實現雨滴打擊動能的測試的理想材料，但壓電薄膜在農業領域中的應用很少，因此針對農業中基於PVDF壓電薄膜的雨滴打擊力和打擊能測量系統設計開發是十分必要的。
【發明內容】
[0005]針對目前現有的雨滴傳感器存在的缺陷或不足，本發明的目的在於，提供一種耐潮溼，能夠對很小的衝擊力產生高輸出信號，噪聲信號小，並且可以實現多點實時測量的基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統。
[0006]為了實現上述任務，本發明採取如下的技術解決方案:
[0007]一種基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統，其特徵在於由PVDF壓電薄膜(1)，絕緣薄膜基底(2)，銅質柵線(3)，引線(4)，信號放大電路(5)，信號採集電路組成出)；所述的PVDF壓電薄膜(I)位於絕緣薄膜基底(2)上部，覆蓋絕緣塗層，用於測量噴頭噴射水柱射流方向雨滴打擊力變化，可以實現一定範圍內雨滴打擊強度測試，並可以消除單點測量帶來的誤差；所述的絕緣薄膜基底(2)上光刻銅質柵線(3)，將柵線
(3)上下表面接引線(4)，上表面作為信號引出端，下表面接地；所述的銅質柵線(3)信號引出端(4)與信號放大電路(5)連接，實現電荷量到電壓量的轉化及電壓信號的放大；所述的信號放大電路(5)與信號採集電路(6)連接，實現電壓信號的濾波、模數轉換、存儲及運算。
[0008]所述各個測量點處PVDF壓電薄膜(I)面積均為1.5mm*1.5mm,厚度為35 μ m,沿射流方向設置3個測量部位，每個部位4個測量點共12個測點，用於測量噴頭噴射水柱射流方向雨滴打擊力變化；所述各測量點間距為1_，可以實現一定範圍內雨滴打擊強度測試，並可以消除單點測量帶來的誤差。
[0009]所述的信號放大電路(5)由兩級運算放大電路組成，第一級是由一個高輸入阻抗放大器連接成的電壓跟隨器，將所述多點PVDF壓電薄膜傳感器輸出的電荷信號轉化為最大值約±160mV的電壓，第二級放大電路將上述電壓值放大到計算機進行數據採集較適宜的電壓範圍(士 5V)。
[0010]所述的信號採集電路(6)的由濾波電路、模數轉化電路、儲存電路、電源電路及單片機組成，實現信號的濾波、模數轉換、存儲及運算。
[0011]本發明採用的多點式PVDF壓電薄膜傳感器是一種無源傳感器，耐潮溼，噪聲信號小，並且可以測量微小的電壓信號，便於安裝在田間和植株表面，能夠準確得到衝擊力、衝擊動能與安裝位置的關係。信號放大電路接收壓電薄膜輸出的模擬脈衝信號，將電荷信號放大為計算機進行數據採集較適宜的電壓範圍，信號採集電路通過一定的信號處理、數據轉換，對壓電薄膜採集到的信號進行處理、存儲並傳輸給PC機，作這樣的信號處理即可實現模擬網絡與數字網絡之間的相互通訊，完成數據交換，使得數據遠程傳輸、調試分析成為可能。PC機通過對信號採集電路採集到的數據進行回歸分析，得到雨滴打擊動能與輸出電壓的計算模型，從而能快速方便的得到雨滴打擊力和打擊動能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的結構示意圖。
[0013]圖中的標記分別表示:1.PVDF壓電薄膜、2.絕緣薄膜基底、3.銅質柵線、4.引線、
5.信號放大電路、6.信號採集電路。
[0014]圖2是本發明的多點式PVDF壓電薄膜傳感器結構示意圖，圖2(a)是結構示意圖的俯視圖，圖2(b)是側視圖。
[0015]圖中的標記1.PVDF壓電薄膜、2.絕緣薄膜基底、3.銅質柵線、4.引線。
[0016]圖3為本發明信號放大電路功能結構示意圖。
[0017]圖4為本發明信號採集電路功能結構示意圖。
[0018]圖5是單滴雨滴輸出電壓波形圖；
[0019]圖6是多滴雨滴依次作用後的輸出電壓波形圖；
[0020]圖7是多滴雨滴同時作用後的輸出電壓波形圖；
[0021]以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
【具體實施方式】
[0022]參見圖1，本實施例給出一種基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統，由PVDF壓電薄膜1、絕緣薄膜基底2、銅質柵線3、引線4、信號放大電路5、信號採集電路6組成，壓電薄膜I位於絕緣薄膜基底2上部，用於測量噴頭噴射水柱射流方向雨滴打擊力變化，絕緣薄膜基底2上光刻銅質柵線3，將柵線3上下表面接引線4，上表面作為信號引出端，下表面接地，信號引出端4與信號放大電路5連接，實現電荷量到電壓量的轉化及電壓信號的放大，信號放大電路5與信號採集電路6連接，實現電壓信號的濾波、模數轉換、存儲及運算。
[0023]參見圖2，由於壓電薄膜I電荷靈敏度與壓電薄膜I的厚度、面積密切相關，引出線4的位置和連接方式同樣會對壓電薄膜I的測量精度產生影響，因此，壓電薄膜I面積太大會導致壓電薄膜I的動態相應遲滯現象加劇。綜合考慮所述傳感器的精度要求、安裝位置、引線連接方式等，各個測量點處壓電薄膜面積均為1.5mm*1.5mm，厚度為35μπι，用於測量噴頭噴射水柱射流方向雨滴打擊力變化，沿射流方向設置3個測量部位，每個部位4個測量點共12個測點，所述各測量點間距為1_，可以實現一定範圍內雨滴打擊強度測試，並可以消除單點測量帶來的誤差。考慮到引線的位置問題，採用絕緣薄膜基底2上光刻銅質柵線3的方法製作引線，將柵線3上下表面接引線4，上表面作為信號引出端，下表面接地，壓電薄膜上覆蓋絕緣圖層。
[0024]參見圖3，所述的信號放大電路5由兩級運算放大電路組成，第一級是由一個高輸入阻抗放大器連接成的電壓跟隨器，將所述多點PVDF壓電薄膜傳感器輸出的電荷信號轉化為最大值約±160mV的電壓，第二級放大電路將上述電壓值放大到計算機進行數據採集較適宜的電壓範圍(±5V)。
[0025]參見圖4，所述的信號採集電路6的由濾波電路、模數轉化電路、儲存電路、電源電路及單片機組成，實現信號的濾波、模數轉換、存儲及運算。
[0026]綜上所述，上述實施例得到的基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統，通過測量已知質量和已知降落高度的水滴衝擊力產生的輸出電壓，可以確定水滴的動能值與壓電薄膜輸出電壓的線性關係，從而實現雨滴打擊動能的快速測量。
[0027]其測量的技術原理是:
[0028]1、通過壓電薄膜I測量並記錄每滴雨滴打擊動能對應的輸出電壓，對大量實驗數據進行統計和回歸分析，得到打擊動能與輸出電壓的關係式:
[0029]y = kx(I)
[0030]y:傳感器電壓輸出(V)，
[0031]X:動能值(J),
[0032]k:常數，由回歸分析可得。
[0033]2、可以通過測量單滴水滴的直徑和降落高度，計算並記錄其質量，求得每滴水滴的理論打擊動能，對實際測得的打擊動能進行誤差分析。理論水滴打擊動能的計算公式如下:
[0034]V= /4/?(匕 UT(3PaQ)/2」
[0035]式中:V:水滴速度；
[0036]g = 9.81 米 / 平方秒
[0037]D:水滴直徑，mm
[0038]p w:水滴密度
[0039]Pa:空氣密度
[0040]Cd:風阻係數
[0041]τ:下落距離
[0042]當式⑵的水滴速度V求出後，利用下式(3)可求得水滴動能:
[0043]KE = 0.5XmX V2(3)
[0044]式中:
[0045]KE:水滴動能，
[0046]m:水滴質量
[0047]3、對壓電薄膜產生的輸出電壓脈衝分析
[0048]經過 申請人:前期實驗可知，噴灌水滴的打擊動能範圍在0.01Χ1(Γ3?1.2XKT3J之間，因此採用上述實施例製備的基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統可以實現該範圍內的動能值測量。
[0049](I)單滴水滴作用在壓電薄膜上時，產生的輸出電壓波形如圖5所示。
[0050]設定初始閾值，超過閾值電壓的輸出電壓被記為有效輸出，當單滴水滴作用到壓電薄膜上時，認為輸出電壓的最大值是該雨滴打擊動能產生的電壓輸出，記錄該電壓，利用公式可以得到該雨滴的打擊動能。
[0051](2)多滴雨滴依次作用在壓電薄膜上，且作用時間間隔較長時，產生的輸出電壓波形如圖5所示。
[0052]超過閾值電壓的輸出電壓被記為有效輸出，如圖5所示，認為有4滴雨滴作用在壓電薄膜上，且其作用時間不重疊，記錄有效作用雨滴的輸出電壓值，可以得到多滴依次作用在壓電薄膜上的雨滴的打擊動能值。
[0053]多滴雨滴同時作用在壓電薄膜上，或作用間隔時間很短，產生的輸出電壓波形發生混疊現象時的波形圖如圖6所示。
[0054]當多滴雨滴同時作用在壓電薄膜上時，對輸出電壓按時間進行採樣，計算一段時間內壓電薄膜輸出的平均電壓值，計算可得在這段時間內多滴雨滴的平均打擊動能。適用於實際生產中測量噴灌設備對植物葉片、植株整體及地面的打擊力和打擊動能。
【權利要求】
1.一種基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統，其特徵是由PVDF壓電薄膜(I)，絕緣薄膜基底(2)，銅質柵線(3)，引線(4)，信號放大電路(5)，信號採集電路(6)組成；所述的壓電薄膜(I)位於絕緣薄膜基底(2)上部，用於測量噴頭噴射水柱射流方向雨滴打擊力變化，沿射流方向設置3個測量部位，每個部位4個測量點共12個測點，可以實現一定範圍內雨滴打擊強度測試，並可以消除單點測量帶來的誤差；所述的絕緣薄膜基底(2)上光刻銅質柵線(3)，並製作引線(4)，將柵線上下表面接引線(4)，上表面作為信號引出端，下表面接地；所述的各測量點間距為1mm，壓電薄膜(I)上覆蓋絕緣圖層；所述的引線(4)信號輸出端與信號放大電路(5)連接，實現電荷量到電壓量的轉化及電壓信號的放大；所述的信號放大電路(5)與信號採集電路(6)連接，實現電壓信號的濾波、模數轉換、存儲及運算。
2.如權利要求1所述的基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統，其特徵是所述的各個測量點處壓電薄膜(I)面積為1.5mm*l.5mm，厚度為35μπι，其測量範圍是0.0144?1.1948 X 10力，可測水滴直徑範圍是1.2mm?4.6_。
3.如權利要求1所述的基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統，其特徵是所述的信號放大電路(5)由兩級運算放大電路組成，第一級是由一個高輸入阻抗放大器連接成的電壓跟隨器，將所述多點PVDF壓電薄膜傳感器輸出的電荷信號轉化為最大值約±160mV的電壓，第二級放大電路將上述電壓值放大到計算機進行數據採集較適宜的電壓範圍(±5V)。
4.如權利要求1所述的基於多點PVDF壓電薄膜傳感器的雨滴打擊動能測試系統，其特徵是所述的信號採集電路￠)的由濾波電路、模數轉化電路、儲存電路、電源電路及單片機組成，實現信號的濾波、模數轉換、存儲及運算。
【文檔編號】G01L1/16GK104316243SQ201410555279
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】韓文霆, 曹培, 姚小敏 申請人:西北農林科技大學