基于激光诱导石墨烯的木制惯性测量单元
0 引言
惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)是一种电子设备,用于测量和报告物体的加速度、角速率,物体的朝向,IMU一般包括三轴陀螺仪和三轴加速度计[1-3]。陀螺仪主要分为激光陀螺仪[4]、光纤陀螺仪[5]、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)陀螺仪[6]等。其中MEMS陀螺仪成本低,能批量生产,且具有稳定性和进动性。MEMS陀螺仪主要有压阻式、压电式和电容式等,其中压阻式MEMS传感器结构和制作工艺简单、直流响应好、可靠性高、成本低[7-9]。KUROKAMI S等设计了一种新型压阻式加速度传感器,在光束中带有狭缝,大大提高了灵敏度[10]。MESSINA M等研发了一种加速度传感器,能够实时检测运动员头部状态,具有良好的抗干扰效果和灵敏度[11]。DONG Peitao等设计了一种高性能单片式三轴压阻式冲击加速度计,测量范围为50 000 g~100 000 g(g表示重力加速度),X轴、Y轴和Z轴的灵敏度分别为2.17 μV/g、2.25 μV/g和2.64 μV/g[12]。ZHAI Yanxin等设计了一种基于体碳化硅处理技术的用于高温环境的微机电系统加速度计,在输入电压为5 V时的动态灵敏度为0.21 mV/g[13]。
目前,MEMS陀螺仪主要采用硅作为基底制备的电子产品,当传感器报废被抛弃,其中含有的重金属(例如镉、镍、铬、锌、汞、铍和铅)可能污染环境,而含有的普通金属(例如铝、铁、铜和锡)不易回收,可能浪费资源[14-17]。因此采用一种绿色环保的电子产品尤为重要,石墨烯具有高导电性且是固有强度很高的材料之一[18-19]。激光诱导石墨烯(Laser-Induced Graphene,LIG)由PENG Z等[20]利用中心波长为10.6 μm的CO2 激光器在大气环境中照射柔性衬底聚酰亚胺(Polyimide,PI)制备石墨烯。LIG具有高导电性,并且降低了石墨烯的制作成本。随着LIG问世,越来越多的研究团队开始关注这项技术,并对不同激光波长、不同诱导材料进行了研究[21-24]。YE R等[25]使用CO2激光器在木材上制备了LIG,其方块电阻可达10 Ω·sq-1。本课题组[26]利用光纤激光器在松木上制备LIG,其方块电阻为8 Ω·sq-1,并利用该技术制备了压力和温度传感器。
本文利用1 070 nm波长的光纤激光在松木上诱导石墨烯,并将其制备成IMU,通过仿真设计和优化,探讨了基于激光诱导石墨烯的木制IMU的可行性、性能和灵敏度。
1 实验
1.1 实验材料
工程中常用的木材有桦木、桉木、松木等。其中松木具有硬度高、抗磨损力强的优点,并且性能稳定,不易变形。松木在风干情况下,水分含量约为11.5%,纤维素含量为46.8%~57.33%,木质素含量为24.12%~30.85%[27]。本课题组前期系统研究了松木的物理性质[26],例如密度、弹性模量、泊松比和屈服极限。松木的线膨胀系数为3.39×10-6 m/℃,而且松木中木质素含量较高,有利于LIG的制备,本工作以松木为主要框架[28]。聚乳酸PLA(SANLU,LOGO1)是一种聚酯类聚合物和一种新型的生物降解材料,PLA是一种常用3D打印材料,被选用为惯性轮的材料。不锈钢Cr13(Cr 14.0%~15.5%,Ni 3.5%~5.5%,Cu 2.5%~4.5%,Mo 0.5%,Mn 1.0%,Si 1.0%)具有密度大、耐腐蚀的优点,被选用为惯性球的材料。主要材料的物理属性如
表 1. 材料属性
Table 1. Material attribute
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1.2 LIG电阻制备
将干燥的松木框架放入真腔内,通过机械泵使真空腔内的真空度保持在0~700 Pa之间。打开激光器(华工科技产业股份有限公司,LG20),并使用软件控制激光振镜在木制梁和框架上加工多个4×1的LIG电阻。调节焦点到样品表面以下4 mm。采用激光诱导石墨烯电阻的最优工艺参数是:激光功率为2 W,打标速度为100 mm·s-1,打标次数为10次,激光脉冲频率为20 kHz[26]。LIG制备完成后,使用环氧树脂导电胶(Ausbond,Q/ASB 027-2017)将铜导线与LIG电阻相连构成惠斯顿电桥。
2 设计与仿真
2.1 IMU结构设计
压阻式传感器有许多典型的结构[29]。考虑到本工作的IMU的应用和木材的性质,结构设计如
表 2. IMU的结构尺寸
Table 2. The structural dimensions of IMU
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梁与框交界处的位置和质量块边缘所受到的应力为
式中,m为质量块的质量,l1为质量块与框的距离,b为梁的宽度,h1为梁的厚度,a为加速度。
梁与框交界处的应变为
式中,E为松木的杨氏模量。
由式(
激光诱导出的石墨烯电阻的阻值大约为100 Ω,将R1、R2、R3、R4连接成第一个惠斯通电桥,将R5、R6、R7、R8连接成第二个惠斯通电桥,将R9、R10、R11、R12连接成第三个惠斯通电桥,这样传感器就有三个霍斯顿电桥,如
第二个惠斯通电桥的输出电压U2与四个LIG电阻的应变关系式为
第三个惠斯通电桥的输出电压U3与四个LIG电阻的应变关系式为
式中,K为灵敏系数,K=86.53 mV/Pa,
当IMU模块发生运动时,惯性体具有惯性,导致梁发生弹性变形,传感器上LIG电阻发生变化,通过霍斯顿电桥输出电压分析,通过平衡振子单元与非平衡振子单元进行对比,最后可以得出IMU的运动状态。
2.2 有限元分析
为了分析IMU的性能,对IMU进行建模,并使用有限元方法进行应变分析。IMU的建模与网格划分如
对两个传感器进行应变分析,四周框架采用固定约束,对传感器Y轴方向施加一个重力加速度,再对传感器分别沿X、Y或Z轴做加速度或角加速度。
如
如
非平衡振子单元相对于平衡振子单元,对于角加速度更加敏感,当传感器沿Y轴做角加速度时,4个梁的应变相同,应力主要集中在靠近惯性轮的4个压力电阻位置,当传感器沿X轴(Z轴)做角加速度时,对应Z轴(X轴)上两个梁的应力分布基本相同,应力主要集中在靠近惯性轮且向上翻的压敏电阻上。通过平衡振子传感器与非平衡振子传感器进行对比,可以检测角加速度。
3 测试与分析
3.1 IMU的测试
如
对两个传感器进行加速度与角加速度测试,采用步进电机给传感器提供速度与角速度,通过改变步进电机的输入频率进而改变步进电机的转速,利用动态信号采集系统对平台的传感器信号进行采集与分析。
将商业加速度传感器(朗斯测试技术有限公司,KISTLER 8766A100AB)与非平衡振子单元一同放置于实验运动平台(大恒光电,GCD-011100M)上,如
图 5. 非平衡振子与商业传感器绕Z轴旋转采集信号
Fig. 5. Unbalanced oscillator and commercial units rotate around Z-axis to collect acceleration signals
3.2 IMU性能分析
对平衡振子和非平衡振子单元进行角加速度和加速度信号采集,从输入0.98~9.8 rad/s2范围内进行测试,因为设计的传感器成对称结构,因此只需测量X轴或Z轴即可,本文测量的为Z轴。
图 6. 非平衡振子单元绕X轴旋转(α=2.94 rad/s2)的输出电压信号
Fig. 6. The unbalance oscillator unit rotates around the X-axis(α=2.94 rad/s2)output voltage signal
采集非平衡振子单元运动信号,如
对平衡和非平衡振子单元的敏感运动方向进行重复性试验,在角加速度方面,只有非平衡振子单元较为敏感,对其绕Z轴和X轴按角加速度为7.2 rad/s2旋转,连续测量40次,如
根据课题组之前的研究[26],LIG压敏电阻会受到温度与湿度的影响,设计了LIG制备温度和湿度传感器,将其制备在非平衡和平衡振子单元框上,进行联合使用,进而补偿温度与湿度对IMU模块的测量误差。
本工作的IMU与市场上低精度的IMU相比,角加速度测量范围更广,且在Z轴的灵敏度更高。由于整体设计采用可降解的木材和PLA,所以该设计更环保,对环境更友好,并且这些材料是常见、低成本的,因此具有成本优势。详细性能对比如
表 3. 商用低精度的IMU与所提出的IMU的性能对比
Table 3. Performance comparison between commercial low precision IMUs and proposed IMU
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4 结论
本文设计的基于激光诱导石墨烯的木制IMU,采用压阻式传感器结构,利用平衡振子和非平衡振子单元同时测量,采用LIG技术在木材上制备压敏电阻,并连成霍斯顿电桥,通过输出的电信号变化,实现运动状态的测量。平衡振子单元X轴的灵敏度为0.006 mV/g,Y轴的灵敏度为8.695×10-4 mV/g,Z轴方向的灵敏度为0.200 mV/g。非平衡振子单元绕X轴旋转的灵敏度为0.285 mV/(rad/s2),绕Y轴旋转的灵敏度为0.305 mV/(rad/s2),绕Z轴旋转的灵敏度为0.765 mV/(rad/s2),Y轴加速度的灵敏度为1.110 mV/g。重复性实验证明了该设计具有重复响应性。该IMU具有一定的传感性能,其相对市面上的IMU更加绿色环保,并且更加便宜和制作便捷,有环保优势和市场前景,可用于木制船舶、车辆工程或需测量振动的木制建筑等领域。
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