自制PVDF薄膜壓力傳感器標定

王永強，肖英淋，劉長林，王文杰

（北京理工大學 爆炸科學技術國家重點實驗室，北京 100081）

在爆炸沖擊測試領域，脆性材料表面和曲面材料所受的沖擊波壓力測量一直是一個難以解決的問題。采用粘貼型的薄膜傳感器是解決其測試難點的較好的方法。傳統的貼片傳感器主要是金屬絲制成的薄膜壓力傳感器在測試強沖擊壓力時采用（百兆帕以上時），在較低的空氣沖擊波壓力下（零點幾兆帕到幾十兆帕范圍內）沒有較好的方法。PVDF（聚偏氟乙烯）及其共聚物壓電計具有響應快、靈敏度高、測壓范圍寬［1－12］等特點，為解決這一問題提供了途徑。

在爆炸沖擊波實驗中，很多時候試件是放置在離炸藥一定距離之外，其空氣沖擊波壓力也就是零點幾兆帕到幾兆帕。國內對PVDF薄膜壓力傳感器的動態標定方法通常是采用霍普金森桿實驗裝置進行標定［4－10］，但是該實驗裝置輸出壓力在百兆帕以上，零點幾兆帕到幾兆帕的壓力范圍的標定沒有見報道。因此本文采用落錘動態標定實驗對自制的PVDF薄膜傳感器進行了標定。實驗結果表明，自制的傳感器具有相當高的線性擬合度和較好的重復性，可以用于低壓段沖擊波壓力測量。

1 PVDF薄膜傳感器測壓原理

PVDF薄膜是本世紀70年代在日本問世的一種經特殊加工后能將動能轉化成電能的新型壓電聚合體材料，應用該種材料制成的壓電膜，當接受到模型材料的振動時，壓電膜產生壓電效應。該壓電效應是可逆的：當外荷載施加到薄膜上時，就會產生電壓；當卸去外荷載時，就會產生極性相反的信號［2］。其壓電方程為［1］

其中：δ 為應力矩陣，δ＝（δxx，δyy，δzz，δyz，δzx，δxy）T；D為面電荷密度矩陣，D＝（Dx，Dy，Dz）T；ε為介電常數矩陣；E為電場強度。

在電場強度E＝0，電學輸出短路的條件下對PVDF壓電薄膜施加應力δ，那么PVDF壓電薄膜會將外界的力學量轉化成電信號輸出，最終會在晶體表面會產生相應的電響應。因此，PVDF壓電薄膜的壓電方程可簡化為

其中d是三行六列的壓電常數矩陣，如式（3）所示：

式中，dij（i＝1，2，3，；j＝1，2，…，6）是壓電常數，i表示晶體的極化方向，當產生電荷的表面垂直于x軸（y軸或z軸）時，記作i＝1（或2或3）；j＝1或2，3，4，5，6，分別表示在沿x軸、y軸、z軸的平面內作用的剪切力。根據（2）式有

由于PVDF薄膜z軸方向上的尺寸遠遠大于x、y軸方向上的尺寸，且主要承受z軸方向的壓力，因此d31δxx＋d32δyy?d33δzz，所以式（4）簡化為

PVDF壓電薄膜產生的電荷Q為

式中，d33為壓電常數，δzz為垂直于薄膜表面的壓力，A為PVDF壓電薄膜面積。式（6）表明，PVDF壓電薄膜表面輸出的電荷量與垂直于表面的壓力成正比關系。利用PVDF壓電效應，可以把薄膜上的壓力變化轉換為電荷量的變化。PVDF薄膜的極化方向及受力見圖1。

圖1 PVDF薄膜的極化方向及受力圖

2 自制PVDF薄膜壓電傳感器結構及標定實驗

實驗采用錦州科信電子材料有限公司生產的PVDF薄膜，其壓電常數d33為20pC／N，厚度為50 μm，表面鍍鋁膜，中間為PVDF薄膜的三明治結構，如圖2所示。

以該薄膜為壓電感芯，尺寸裁剪為為5mm×10 mm，在其上下表面壓以銅箔，作為電極引出，再以聚對苯二甲酸類（PET）塑料薄膜材料對其封裝作為其保護層，中間填充環氧樹脂粘結劑進行粘結，其結構示意圖及實物圖如圖3所示。

圖2 PVDF薄膜結構示意圖

圖3 PVDF薄膜傳感器結構示意圖及實物圖

傳感器制作完成后需要標定其靈敏度，本文采用落錘標定實驗裝置對其低壓段進行標定，觀察其線性擬合度。該實驗裝置由標準壓力傳感器、PVDF壓電薄膜傳感器、1個2.2kg重錘（φ60mm×100mm）、1個1mL油缸、1個油缸活塞桿（φ8mm×70mm）、1個活塞桿定位套、2臺電荷放大器、1臺示波器等組成。該裝置是利用重錘、活塞桿和油缸中的硅油相互作用過程中形成毫秒量級的動態壓力擾動，壓力波形接近半個正弦波，在記錄儀器中可以獲取標準壓力傳感器的輸出信號和被標壓力傳感器的輸出信號，經數據處理后可以得到被標壓力傳感器的靈敏度和非線性誤差水平，實現PVDF壓電薄膜傳感器的標定。落錘實驗裝置如圖4所示。

將PVDF壓電薄膜傳感器與標準壓力傳感器的電纜接到電荷放大器CH1、CH2輸入端，輸出端再分別接入示波器的CH1、CH2通道。將重錘置于不同高度，系統將輸出不同壓力。從自制的30個傳感器中任意選取3個PVDF壓電薄膜傳感器進行了標定，編號分別為1、2、3，每個傳感器做7組實驗。其典型輸出波形如圖5所示。

利用標準壓力傳感器的已知靈敏度及其電壓峰值可以推算PVDF薄膜傳感器的電荷量，實驗結果見表1。對實驗數據進行線性擬合，結果見圖6—圖8。

圖4 落錘裝置實物圖

圖5 PVDF薄膜壓力傳感器及標準傳感器實測波形

表1 1號傳感器實驗數據

圖6 1號PVDF壓電薄膜傳感器標定曲線

圖7 2號PVDF壓電薄膜傳感器標定曲線

圖8 3號PVDF壓電薄膜傳感器標定曲線

3 結論

由圖6—圖8可看出，在低壓沖擊下，3個PVDF傳感器的線性擬合度分別可以達到99.7%、99.2%、98.8%，每個傳感器的靈敏度相差不大，表明在低壓沖擊狀態下，研制的PVDF壓電薄膜傳感器具有很好的重復性和穩定性，充分說明自制的PVDF薄膜壓力傳感器完全可用于空氣沖擊波壓力測量。該實驗也探求了低壓段的PVDF薄膜壓力傳感器標定方法。

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