基于PVDF傳感器的靜力試驗系統標定與應用

劉秋楠 白 燕 徐國梁 巴曉蕾 尹 偉 王志成

(北京強度環境研究所，北京，100076)

1 引 言

結構靜力試驗在航天飛行器結構設計試驗中發揮了重要作用。試驗中除了測量在不同載荷情況下試驗件的應變和位移，還要對結構所承受的載荷進行測量。載荷的測量可靠性和準確性對整個靜力試驗質量有重大影響。對于結構形式復雜、體積大小非常規的試驗件，既難以進行理論計算分析，又不能滿足已具備的試驗條件，而現階段測量試驗件承受的載荷大小的方式還存在些問題，尚不能令人滿意。正是這些問題，促使了基于PVDF壓電薄膜傳感器的靜力試驗系統的誕生。如何設計一種低成本、施工維護簡單的靜力試驗系統，就成為人們追求的目標，基于PVDF壓電薄膜傳感器的靜力試驗系統就是在這方面做出的一個有意義的嘗試。

PVDF壓電薄膜具有靈敏度高、測量范圍大、頻率范圍寬、溫度穩定性好、質地柔軟、韌度高、響應快等優點，使其成為廣泛推廣的一利新型智能傳感器。在國外己經達到了實用化階段，利用PVDF薄膜制作的壓力傳感器己經商品化，廣泛應用于各種壓力測試試驗。PVDF壓電薄膜制作的傳感器可見于多種試驗裝置上的應用，相關的試驗如彈底發射裝藥擠壓[1]中的壓力測量、醫療方面在牙咬力[2]上的測量、金屬結構焊縫裂紋檢測方法研究[3]、在激光推進實驗中的測量[4]等，這些方面都取得了良好的效果。

本文從分析PVDF壓電薄膜測量原理入手，提出了一個基于PVDF壓電薄膜的靜力試驗系統整體搭建方案，在該方案的指導下，設計并實施了基于PVDF壓電薄膜傳感器的標定試驗以及試件加持試驗，并得到了有效的試驗數據，為后續整個系統的靈活運用打下了基礎。

2 PVDF壓電薄膜的測力方法

載荷測量就是對力的測量，試驗中通過載荷傳感器將載荷轉換成電量信號，將信號接入測量設備，測出相應的載荷。可見載荷傳感器是關鍵器件，這類傳感器有應變式、電容式、電感式、壓電式、壓磁式、壓阻式等[5]。其中電阻應變式傳感器具有許多優點，用得較廣。但是電阻應變式傳感器不能在外界環境變化較大的地方使用。近年來一種叫做聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜傳感器的發展為試驗的靈活性與低成本性提供了條件。極化的PVDF薄膜受壓時會產生電荷轉移，電荷轉移量和接觸壓力成正比。

2.1 PVDF壓電薄膜工作原理

壓電薄膜的輸出電荷與外力關系如公式(1)、公式(2)所示。

qi=bijfj

(1)

Qi=bijFj

(2)

式中:qi——單位面積輸出的電荷;bij——壓電(應變)常數；fj——所受的應力;Qi——薄膜總輸出電荷;Fj——總外力。

用于傳感器的FVDF薄膜上下表面均鍍有電極，因而相當于一個電容器，其電容量Cs按公式(3)計算。

(3)

兩端電壓U按公式(4)計算。

(4)

式中：θ——介電常數;A——薄膜面積;h——薄膜厚度;q——電容兩端電荷。

綜上,壓電薄膜兩端輸出電壓與其所受壓力關系如公式(5)所示。

(5)

PVDF薄膜用于傳感器時，壓電信號必須通過電極引線才能輸出，并且部分電極必須承受和壓電薄膜相同的壓力環境。現有壓電傳感器的電極引線有兩種方式：一種是對壓電薄膜局部極化，在非極化的區域電鍍出引線；另一種是在電極上用粘結或者焊接方法直接引線，但是這種方式不是很常用。本文主要采用的是第一種方式。

2.2 基于PVDF壓電薄膜傳感器的靜力試驗系統的建立

PVDF壓電薄膜作為傳感元件可以看作是電荷發生器，其輸出的電學模型可以等效為電荷源，輸出的信號接入電荷放大器中。另外，將PVDF壓電薄膜傳感器配合電荷放大電路使用時，低頻響應比配用電壓放大器要好得多，可以實現對準靜態的物理量進行測量[8]。最終搭建的靜力試驗系統如圖1所示。

圖1 系統組成圖Fig.1 System diagram

3 基于PVDF壓電薄膜的靜力試驗研究

3.1 PVDF壓電薄膜傳感器的標定

PVDF壓電薄膜傳感器在國內的應用主要分兩類，一類是直接采用國外成熟的技術，進口PVDF壓力傳感器及其測試手段，在實際工作中按所引進的傳感器使用規范進行應用。另一類是通過國產的PVDF薄膜制作壓力傳感器，這一類制作的傳感器沒有統一的標準，所以在采用PVDF壓電薄膜作為傳感器的時候，事先要對其進行標定。

本文利用數據采集系統的功能，設計了一種標定方法。將PVDF壓電薄膜傳感器平均分布在圓形鋼框的內部，利用壓力氣囊將傳感器完全貼合到鋼框上，通過增加大氣壓的方式，來測量傳感器的輸出電壓。考慮到PVDF壓電薄膜傳感器的電容很小，在靜態外力作用下所產生的電荷會很快失去，因此，為了準確測出PVDF壓電薄膜傳感器在靜態力作用下的輸出電壓，采用動態數據采集的方法，取最高的輸出電壓，對數據擬和得到載荷一電壓曲線，也可根據應用需要得到載荷一電壓的關系系數，完成標定。此種方法標定的傳感器不需要測量連續變化的動態信號，適合在靜力試驗中使用。

PVDF標定系統如圖2所示。

圖2 PVDF標定系統示意圖Fig.2 PVDF calibration system schematic diagram

該系統采用的PVDF傳感器中的壓電元件長度為12英寸(約300mm)，厚度為28μm，其上絲印銀漿電極，薄膜被層壓在0.125mm聚酯基片上，電極由兩個壓接端子引出，具體如圖3所示。

圖3 試驗用PVDF壓電薄膜傳感器Fig.3 PVDF piezoelectric film sensor in the test

利用數據采集設備DEWETRON，標定傳感器，標定得到的載荷與電壓的數據如表1所示。表中的數據為壓力從100kPa增至1000kPa時，對應采集系統測量得到的傳感器輸出電壓值。

表1 載荷-電壓數據標定結果Tab.1 Load-voltage data calibration result

對表1中的數據進行線性擬合，如圖4所示。從圖中可以看出該PVDF壓電薄膜傳感器的線性度良好，線性擬合相關系數為0.997。采用文獻[9]中的方法計算得到該傳感器的靈敏度為689.08kPa/V，不確定度為16.6kPa/V。

圖4 載荷-電壓擬合曲線圖Fig.4 Load-voltage fitting picture

3.2 試驗件加持試驗應用

大型圓柱體在長期擺放和運輸的過程中，會發生滾動和傾斜的危險，為了防止危險的發生會加裝固定試驗件的裝置，試驗設計了一個大型圓柱體的加持試驗。具體情況如圖5所示。

圖5 試驗件裝配剖面圖Fig.5 Cross-sectionTest pieces of assembly

固定裝置由于材料本身的原因，無法完全貼近試驗件，從圖5上可以明顯看出，在固定裝置處，需要一側擰緊四個螺栓如圖6，另一側在相對應的位置上擰緊螺栓，才能將試驗件完全固定牢靠。試驗時將PVDF壓電薄膜傳感器安裝在螺栓與試驗件之間，用力矩扳手擰緊螺栓，通過數據采集設備測量加持裝置各個點的受力情況。該裝置有助于該類型的試驗件在運輸過程中不會滑落與碰撞損壞。

圖6 加持裝置細節圖Fig.6 Detailed drawing of blessing dexice

表2 試驗結果

試驗前標定了試驗所用的PVDF壓電薄膜傳感器，得到一組載荷-電壓系數，試驗時通過測量設備，將測量的電壓轉化為載荷。試驗中利用力矩扳手在加持裝置的2象限分別加5N·m、10N·m、12N·m、14N·m、15N·m的力矩，而4象限不加力的情況下，得到傳感器相應位置的載荷值。具體數據如表2所示。

4 結束語

本文介紹了一種用于測量壓力載荷的基于PVDF壓電薄膜傳感器的靜力試驗系統的測量方法,與之前用相對體積較大的傳感器測量壓力的方法相比，這種方法具有易操作，易安裝，適應多種復雜環境的優點。試驗數據表明測量的載荷大小能準確的反映出試驗件的受力狀態。