自制PVDF薄膜壓力傳感器標(biāo)定

王永強(qiáng)，肖英淋，劉長(zhǎng)林，王文杰

（北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

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

在爆炸沖擊波實(shí)驗(yàn)中，很多時(shí)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(diǎn)幾兆帕到幾兆帕。國(guó)內(nèi)對(duì)PVDF薄膜壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法通常是采用霍普金森桿實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行標(biāo)定［4－10］，但是該實(shí)驗(yàn)裝置輸出壓力在百兆帕以上，零點(diǎn)幾兆帕到幾兆帕的壓力范圍的標(biāo)定沒(méi)有見(jiàn)報(bào)道。因此本文采用落錘動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)對(duì)自制的PVDF薄膜傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自制的傳感器具有相當(dāng)高的線性擬合度和較好的重復(fù)性，可以用于低壓段沖擊波壓力測(cè)量。

1 PVDF薄膜傳感器測(cè)壓原理

PVDF薄膜是本世紀(jì)70年代在日本問(wèn)世的一種經(jīng)特殊加工后能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能的新型壓電聚合體材料，應(yīng)用該種材料制成的壓電膜，當(dāng)接受到模型材料的振動(dòng)時(shí)，壓電膜產(chǎn)生壓電效應(yīng)。該壓電效應(yīng)是可逆的：當(dāng)外荷載施加到薄膜上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓；當(dāng)卸去外荷載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生極性相反的信號(hào)［2］。其壓電方程為［1］

其中：δ 為應(yīng)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(shù)矩陣；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

在電場(chǎng)強(qiáng)度E＝0，電學(xué)輸出短路的條件下對(duì)PVDF壓電薄膜施加應(yīng)力δ，那么PVDF壓電薄膜會(huì)將外界的力學(xué)量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，最終會(huì)在晶體表面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電響應(yīng)。因此，PVDF壓電薄膜的壓電方程可簡(jiǎn)化為

其中d是三行六列的壓電常數(shù)矩陣，如式（3）所示：

式中，dij（i＝1，2，3，；j＝1，2，…，6）是壓電常數(shù)，i表示晶體的極化方向，當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂直于x軸（y軸或z軸）時(shí)，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(nèi)作用的剪切力。根據(jù)（2）式有

由于PVDF薄膜z軸方向上的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jiǎn)化為

PVDF壓電薄膜產(chǎn)生的電荷Q為

式中，d33為壓電常數(shù)，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(guān)系。利用PVDF壓電效應(yīng)，可以把薄膜上的壓力變化轉(zhuǎn)換為電荷量的變化。PVDF薄膜的極化方向及受力見(jiàn)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(jié)構(gòu)及標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用錦州科信電子材料有限公司生產(chǎn)的PVDF薄膜，其壓電常數(shù)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(jié)構(gòu)，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(duì)苯二甲酸類(lèi)（PET）塑料薄膜材料對(duì)其封裝作為其保護(hù)層，中間填充環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)，其結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 PVDF薄膜結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 PVDF薄膜傳感器結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖

傳感器制作完成后需要標(biāo)定其靈敏度，本文采用落錘標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)其低壓段進(jìn)行標(biāo)定，觀察其線性擬合度。該實(shí)驗(yàn)裝置由標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、PVDF壓電薄膜傳感器、1個(gè)2.2kg重錘（φ60mm×100mm）、1個(gè)1mL油缸、1個(gè)油缸活塞桿（φ8mm×70mm）、1個(gè)活塞桿定位套、2臺(tái)電荷放大器、1臺(tái)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(guò)程中形成毫秒量級(jí)的動(dòng)態(tài)壓力擾動(dòng)，壓力波形接近半個(gè)正弦波，在記錄儀器中可以獲取標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的輸出信號(hào)和被標(biāo)壓力傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可以得到被標(biāo)壓力傳感器的靈敏度和非線性誤差水平，實(shí)現(xiàn)PVDF壓電薄膜傳感器的標(biāo)定。落錘實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

將PVDF壓電薄膜傳感器與標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)將輸出不同壓力。從自制的30個(gè)傳感器中任意選取3個(gè)PVDF壓電薄膜傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，編號(hào)分別為1、2、3，每個(gè)傳感器做7組實(shí)驗(yàn)。其典型輸出波形如圖5所示。

利用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見(jiàn)圖6—圖8。

圖4 落錘裝置實(shí)物圖

圖5 PVDF薄膜壓力傳感器及標(biāo)準(zhǔn)傳感器實(shí)測(cè)波形

表1 1號(hào)傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 1號(hào)PVDF壓電薄膜傳感器標(biāo)定曲線

圖7 2號(hào)PVDF壓電薄膜傳感器標(biāo)定曲線

圖8 3號(hào)PVDF壓電薄膜傳感器標(biāo)定曲線

3 結(jié)論

由圖6—圖8可看出，在低壓沖擊下，3個(gè)PVDF傳感器的線性擬合度分別可以達(dá)到99.7%、99.2%、98.8%，每個(gè)傳感器的靈敏度相差不大，表明在低壓沖擊狀態(tài)下，研制的PVDF壓電薄膜傳感器具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，充分說(shuō)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(cè)量。該實(shí)驗(yàn)也探求了低壓段的PVDF薄膜壓力傳感器標(biāo)定方法。

（

）

［1］蔡軍峰，易建改，檀朝彬，等.PVDF壓電傳感器在爆炸沖擊波測(cè)量中的應(yīng)用［J］.傳感器世界，2005（3）：13－15.

［2］張向陽(yáng)，徐景茂，陳安敏，等.PVDF壓電傳感器在模型化爆中的應(yīng)用［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2009（12）：29－31.

［3］劉劍飛，胡時(shí)勝.PVDF壓電計(jì)在低阻抗介質(zhì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試中的應(yīng)用［J］.爆炸與沖擊，1999，19（3）：299－234.

［4］曾輝，余尚江，楊吉祥，等.PVDF壓力傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度校準(zhǔn)［J］.傳感器技術(shù)，2003，22（10）：39－41.

［5］郭偉國(guó).PVDF壓電薄膜用于Hopkinson壓桿測(cè)量泡沫金屬的動(dòng)態(tài)性能［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2005，20（4）：635－639.

［6］席道英，鄭永來(lái).PVDF壓電計(jì)在動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量中的應(yīng)用［J］.爆炸與沖擊，1995，15（2）：176－179.

［7］李思忠.高速?zèng)_擊條件下PVDF傳感元件測(cè)壓技術(shù)及其工程應(yīng)用［D］.成都：四川大學(xué)，2001.

［8］余尚江，李科杰.混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)沖擊波壓力傳感器設(shè)計(jì)及其行為［J］.爆炸與沖擊，2005，25（4）：350－354.

［9］孟一，易建偉.PVDF應(yīng)力傳感器的設(shè)計(jì)、標(biāo)定及其在混凝土沖擊試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（12）：1－5.

［10］張安躍，唐志平，鄭航.PVDF壓力傳感器的沖擊壓電特性研究［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2009，24（3）：244－249.

［11］李焰，王凱民，譚紅梅，等.PVDF應(yīng)力計(jì)在起爆試驗(yàn)研究中的應(yīng)用［J］.火工品，2003（3）：6－10.

［12］杜曉松，楊邦朝，周鴻仁.PVDF沖擊波壓力傳感器的制備和應(yīng)用［J］.功能材料，2002，33（1）：15－18.