許多水下汽車都會(huì)采用高功耗的主動(dòng)傳感方法來探測(cè)和識(shí)別周圍海洋環(huán)境中的物體。印度 PSG 技術(shù)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在盲眼洞穴魚的啟發(fā)下設(shè)計(jì)了一款壓力傳感器，并借助數(shù)值仿真分析了此設(shè)計(jì)，希望做出一個(gè)節(jié)能型的替代方案。在本篇博客中，我們將近距離分析該款被動(dòng)型 MEMS 壓力傳感器。
壓力傳感器的本質(zhì)
水下環(huán)境絕非人造車輛的理想駕駛環(huán)境，由于缺乏光照再加上水體渾濁，水下的能見度極差，有時(shí)甚至完全無法視物；所以類似潛艇等水下車輛就需要通過探測(cè)和監(jiān)控來避開水下環(huán)境中的各類物體。如果您覺得這樣難度還不算高的話，那不妨再想一下潛艇的能源情況，它的能源供應(yīng)有限，所以需要盡量減少能耗。
無人駕駛潛艇的照片。（圖片由 CSIRO ICT 中心提供，已獲Creative Commons Attribution 3.0 Unported授權(quán)，并通過Wikimedia Commons分享。）
常規(guī)潛艇一般會(huì)采用聲吶和光學(xué)方法進(jìn)行水下導(dǎo)航。這些方法的效果不錯(cuò)，但存在一些問題。聲吶可能傷害甚至殺死一些海洋生物，而光學(xué)方法在低能見度下的表現(xiàn)一般。此外，這兩種方法都會(huì)進(jìn)行主動(dòng)感應(yīng)，效率較低，但能耗很高。
在為水下車輛尋找更高效的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法時(shí)，印度 PSG 技術(shù)學(xué)院（位于印度泰米爾納德邦，哥印拜陀市）從盲眼洞穴魚的身上得到了啟發(fā)。
墨西哥盲眼洞穴魚身上有許多我們稱作側(cè)線的神經(jīng)丘，因此能有效在黑暗混亂的水域中避開障礙，而且游動(dòng)速度很快。具體來說，這類魚能通過表層神經(jīng)丘感應(yīng)流動(dòng)變化，并能通過管器神經(jīng)丘感應(yīng)壓力變化，借以實(shí)現(xiàn)在周圍環(huán)境中的導(dǎo)航。
盲眼洞穴魚的圖片，用陰影表示側(cè)線。側(cè)線中的點(diǎn)表示管器神經(jīng)丘。圖片由 Aarthi E. 等人制作，取自他們?cè)?COMSOL 用戶年會(huì) 2013 班加羅爾站提交的論文。
洞穴魚最重要的特點(diǎn)也許是它能通過被動(dòng)感應(yīng)探查周圍環(huán)境；也就是說，它無需消耗能量發(fā)出聲波就能實(shí)現(xiàn)在周圍環(huán)境中的導(dǎo)航，避免了因?yàn)榘l(fā)出聲波可能造成的傷害或因此暴露位置的風(fēng)險(xiǎn)。所以說，洞穴魚可以被動(dòng)檢測(cè)周圍的水流。
研究人員據(jù)此開發(fā)了一款節(jié)能型被動(dòng)感應(yīng)方法，并使用 COMSOL Multiphysics 的層流接口來預(yù)測(cè)這款水下壓力傳感器的性能。
開發(fā)被動(dòng)型水下壓力傳感器
為了開發(fā)出一款能夠有效實(shí)現(xiàn)被動(dòng)工作的壓力傳感器，研究人員模擬了洞穴魚的側(cè)線。
設(shè)計(jì)壓力傳感器時(shí)，他們參照洞穴魚在一個(gè)陣列中安裝了 10 個(gè)傳感器，傳感器之間留有一定的間隔以避免串?dāng)_。設(shè)計(jì)中還包括一個(gè)安裝在傳感器底座上的柔性感應(yīng)膜片。感應(yīng)層由液晶高分子 (LCP) 制作，這是一種很堅(jiān)韌的柔性材料，抗腐蝕能力很好。
感應(yīng)膜片的上方是應(yīng)變儀，用于將壓力變化轉(zhuǎn)換為金制壓阻器中的電阻變化。最后，使用一個(gè)立式結(jié)構(gòu)來模擬魚的體表神經(jīng)丘并測(cè)量速度。
MEMS 壓力傳感器的幾何。圖片由 Aarthi E. 等人制作，取自他們?cè)?COMSOL 用戶年會(huì) 2013 班加羅爾站提交的論文。
壓力傳感器可以探測(cè)周圍水體中的擾動(dòng)。例如，假設(shè)安裝了該傳感器的潛艇正接近一艘沉船。沉船造成了水流的變化，因此會(huì)在傳感器的膜片中產(chǎn)生一個(gè)壓力差。因?yàn)閴毫Σ顣?huì)使膜片發(fā)生彎曲，所以傳感器能夠識(shí)別出這個(gè)變化，如下圖所示。
施加壓力后產(chǎn)生的膜片位移。圖片由 Aarthi E. 等人制作，取自他們?cè)?COMSOL 用戶年會(huì) 2013 班加羅爾站提交的論文。
彎曲會(huì)造成壓阻器電阻值的變化，可以作為電壓漂移讀取。這樣，壓力傳感器將能被動(dòng)地檢測(cè)環(huán)境的改變，比如由于沉船造成的變化。
傳感器使?jié)撏軌蜉p松在周邊環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航，而且不會(huì)浪費(fèi)太多能量。不過，研究人員首先應(yīng)確認(rèn)該壓力傳感器的工作性能。
借助仿真檢查壓力傳感器的設(shè)計(jì)
研究人員計(jì)算了作用在傳感器上的各級(jí)邊界應(yīng)力的速度及壓力分布，借以分析壓力傳感器對(duì)周圍環(huán)境變化的檢測(cè)性能。在他們的仿真中，當(dāng)有物體接近傳感器時(shí)，邊界應(yīng)力會(huì)增加。邊界應(yīng)力的變化還會(huì)造成傳感器所經(jīng)歷的速度及壓力發(fā)生變化。
左：傳感器上的速度分布。右：傳感器上的壓力分布。圖片由 Aarthi E. 等人制作，取自他們?cè)?COMSOL 用戶年會(huì) 2013 班加羅爾站提交的論文。
仿真表明當(dāng)邊界應(yīng)力增加時(shí)，傳感器將經(jīng)歷速度及壓力的變化，這也是盲眼洞穴魚檢測(cè)到的變化，那么壓力傳感器對(duì)此類變化的敏感度如何呢？
研究人員將靈敏度定義為每單位應(yīng)力變化所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變儀內(nèi)的電阻變化。他們觀察到電阻在壓力變化時(shí)增大了，從而確定傳感器足夠靈敏可檢測(cè)到小至 5 N/m的壓力變化。
整體而言，被動(dòng)壓力傳感器不僅具備可正常工作的靈敏度，還兼具節(jié)能、安全與隱蔽等優(yōu)點(diǎn)。在水下壓力感應(yīng)類應(yīng)用中，這款設(shè)計(jì)是一個(gè)非常不錯(cuò)的節(jié)能型替代方案。借助 COMSOL 軟件中的流固耦合特征、壓敏電阻物理場(chǎng)接口和超彈性材料模型，我們能夠輕松地模擬此類傳感器。
