柔性傳感沖擊波瞬態壓力測試方法

柴棟梁，王文廉,2

(1.中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051; 2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

沖擊波壓力測試是評估爆炸物毀傷效應的主要手段[1-2]。在某些特殊場合，如測試沖擊波對建筑物圓柱面、車輛曲面以及動物等的毀傷效應時，常規傳感器有不足之處，比如很難布置在物體曲面。設計一種粘貼型薄膜傳感器可以解決該測試難點。

由于柔性傳感器具有異于常規傳感器的優良性能，在某些領域發揮著重要作用：生物醫學方面：針對其韌性好，生物兼容性好的特點研制的穿戴式脈搏檢測系統[1]，在仿生學領域，利用柔性傳感器研制的感知觸、滑覺智能假手[2]，智能仿生皮膚[3]，步態感知系統[4]，用于運動檢測的柔性內衣以及可穿戴設備[5-6]。

PVDF是一種性能優異的壓電材料，全稱偏聚氟乙烯，其強壓電特性于1969發現[7]，經過多年研究，已成為最具潛力的聚合物壓電薄膜[8]材料之一。作為一種聚合物材料，PVDF具有一些無機材料無法比擬的優勢：PVDF化學穩定性高，耐酸堿腐蝕；制成薄膜后透光率高；生物兼容性好，和皮膚等軟組織的粘附性較好。相對于其他壓電材料，PVDF頻率響應范圍大，從 Hz到GHz的頻率范圍都能做出響應；壓電常數高，相同應力輸入下與其他材料相比有較高電荷輸出，便于數據的采集和分析[9]。國內已有將FVDF用于壓力測試的先例[10-11]。

文章采用國產壓電薄膜，通過裁剪，邊緣絕緣處理，導線引出[12-14]等流程制備了壓電薄膜傳感器；通過小型爆炸物對傳感器進行簡單實驗；利用激波管的階躍沖擊信號，配合專門制作的存儲測試電路得到傳感器的響應曲線；得出其上升時間、最大超調量等動態參數，對其性能進行評估分析。

1 柔性傳感沖擊波測試系統

在沖擊波毀傷測試領域的某些特殊場合，如研究沖擊波對建筑物圓柱面、車輛曲面以及動物等的毀傷測試時使用柔性傳感器評估毀傷效應，理論上能取得更好的效果，測試結果也更有說服力。

柔性薄膜粘貼在物體曲面的示意圖和柔性傳感沖擊波測試系統示意圖如圖1和圖2所示。

基于不同測試需求，柔性傳感器的采集、信號調理電路及無線傳輸模塊布置于動物身體體表、車輛的曲面以及建筑物的圓柱面，爆炸物爆炸時產生的沖擊波作用于粘貼在待測物體表面的柔性薄膜傳感器上，通過無線接收模塊將沖擊波信號數據發送到數據終端。試驗完成后，可以通過數據終端顯示實驗數據，便于后續研究。

圖1 柔性薄膜粘貼示意圖

圖2 柔性傳感沖擊波測試系統

2 傳感器及存儲測試系統

利用國產某公司生產的PVDF薄膜制作了柔性傳感器，針對柔性傳感器應用場合（沖擊波毀傷測試）建立了存儲測試系統。

2.1 專用柔性傳感器制作

PVDF薄膜性能優異，但是其厚度較小，抗剪能力差，而且表面涂有電極，薄膜在使用過程中容易破損，而且容易受外界的電子干擾，影響其使用性能，PVDF壓電薄膜必須經過封裝才能使用。PVDF薄膜制作傳感器的流程如圖3所示。

圖3 薄膜傳感器制作流程

根據需要將薄膜裁剪成1.3 cm×0.7 cm的長方形薄膜片；用丙酮和酒精作為腐蝕劑對裁剪下的薄膜邊緣做非金屬化處理，腐蝕掉邊緣可能連通的電極毛刺，最后用萬用表檢測是否短路，保證兩表面電極的分離。PVDF薄膜本身厚度小，柔性大，表面電極較薄，不能用常規的焊接方式將電極引出，采用細導線通過導電銀膠引出電極。導電銀膠的涂抹一定要均勻，薄厚適中，否則，薄膜粘貼到基板會產生氣泡。PVDF是柔性材料，當測量構件應力時傳感器封裝也應該是柔性材料，文章要將其應用到沖擊波測試中，所以帶引線的傳感器薄膜應該粘貼到硬質基板上。將環氧樹脂膠(AB膠)均勻的涂抹到硬質基板上，然后將PVDF薄膜粘貼在基板上，粘貼時要持續施加外力，擠出多余的AB膠以免留下氣泡或粘貼不均勻。把傳感器引出的兩條細導線（正面背面各一根）通過導電膠與基板的兩個通孔粘接，因為通孔與基板背面相連，這樣傳感器的兩條導線就引到了基板的背面。這是由于壓電式傳感器產生的是電荷信號，后面一般要借助電荷放大器把電荷信號轉換為電壓信號，而電荷放大器的輸入端都是標準的接口（常用 M5或 BNC），因此PVDF薄膜傳感器必須與該標準接口連接，薄膜傳感器的引出線太細不能直接與上述接頭焊接，通過通孔背面轉接引線的方式解決該問題。傳感器薄膜表面導電層裸露易受外界電子干擾，應在其表面緊密粘貼一層PET薄膜，同時信號引出線采用同軸屏蔽線纜，最大限度減少外界干擾。傳感器實物圖如圖4所示。

圖4 薄膜傳感器實物圖

2.2 存儲測試系統

圖5 存儲測試系統原理圖

存儲測試系統用于記錄傳感器對激勵信號的響應特性，便于后續分析處理。其原理框圖如圖5所示。FPGA為外部芯片提供控制邏輯以及控制各模塊間數據傳輸，寬箭頭表示數據傳遞通道，單箭頭表示控制信號。其工作原理為：AD芯片以一定采樣速率將模擬信號轉換為一定比特長度的數字信號（長度取決于A/D芯片精度），在FPGA控制下將該轉換結果寫入鐵電存儲器。采集存儲數據的同時系統會執行以下操作：將每次A/D轉換的結果和預設的觸發電平閾值相比較，如果采樣結果大于該觸發閾值，FPGA向外部存儲器寫入一定個數（存儲總長度-負延時長度）的采樣數據后就會終止A/D、存儲器的工作。如果采集到的數據一直未達到觸發電平閾值，采樣-存儲過程就會一直執行下去，新采樣的數據會繼續寫入存儲器，覆蓋之前的數據。讀取數據的過程：根據寫入的觸發點地址計算出負延時的首地址，然后從首地址開始讀取存代表儲器容量大小的數據。采集存儲的特點是得到的數據點是帶有負延時的，保證了數據的完整性。FPGA是靈活可編程的，通過修改HDL代碼可實現對A/D采樣速率、負延時長度、觸發電平、總存儲長度等參數的控制。

存儲測試系統的電路連接簡圖如圖6所示，在實施動態特性實驗時，傳感器要安裝到激波管端面。

圖6 電路連接簡圖

3 動態特性實驗分析及爆炸物仿真實驗

針對柔性傳感器的性能的研究，實施了以激波管為測試手段的動態特性實驗，根據實驗結果，分析研究了傳感器的動態特性。

3.1 動態特性實驗系統組成

使用激波管產生的階躍信號作為壓電傳感器的激勵信號，采集傳感器的輸出信號，研究其動態特性，系統的組成框圖如圖7所示。

動態特性實驗系統由激波管，柔性傳感器，電荷放大器、存儲測試系統以及上位機組成。箭頭方向表示信號傳輸方向：激波管產生的階躍信號施加到傳感器上，傳感器產生的電荷信號通過電荷放大器轉換為電壓信號，被數據采集系統記錄后，軟件將采樣數據顯示在上位機。

圖7 動態測試實驗系統框圖

3.2 激波管及其工作原理

激波管由高壓室和低壓室組成，高壓室和低壓室之間用塑料膜片或鋁片隔開，高壓室充氣，在一定的壓力下膜片爆破后高壓氣體迅速膨脹進入低壓室（膜片越厚產生壓力越大），從而形成激波，激波的波陣面壓力保持恒定，接近理想的階躍波，并以超音速沖向被標定的傳感器，傳感器在激波的激勵下按固有頻率產生一個衰減振蕩，其波形被記錄下來，用于分析確定傳感器的動態特性。激波管實驗示意圖如圖8所示，A-B處是安裝傳感器的端面截面。

圖8 激波管實驗示意圖

將制作好的薄膜傳感器安裝到激波管堵頭端面上，傳感器安裝示意圖如圖9所示（注：傳感器與堵頭接縫處需要做密封處理以防漏氣）。傳感器接至電荷放大器，電荷放大器輸出端與采集存儲電路連接。調節電荷放大器的參數以及存儲測試電路參數，在激波管高壓室與低壓室之間放置一定層數（4層）的薄鋁箔片（層數越多，激波管產生的超壓峰值越高），實施試驗。

3.3 實驗結果

圖9 傳感器安裝示意圖

實驗時，由于電荷放大器放大倍數設置值偏大，導致輸出曲線出現截幅現象，調整電荷放大倍數及默片厚度反復實驗，得到的階躍響應曲線如圖10所示。

從圖10可知，傳感器上升時間約為100 μs，峰值時間為150 μs，最大超調量為35%，調整時間為320 μs。

圖10 傳感器階躍響應曲線

3.4 爆炸物仿真實驗

針對自制柔性傳感器的應用背景，實施了基于小型爆炸物的仿真實驗，利用上文制作的柔性傳感器，電荷放大器及示波器實施了仿真實驗，在距離傳感器一定距離處引爆小型爆炸物，示波器記錄傳感器輸出波形，實驗結果如圖11所示。

可以看出傳感器對小型爆炸物產生的沖擊波有瞬態響應。

圖11 小型爆炸物試驗曲線

4 結束語

激波管校準系統的動態試驗表明傳感器上升時間約為100 μs，結合爆炸物仿真實驗，該柔性傳感器可初步應用于瞬態壓力測試。通過改進傳感器粘貼工藝提升傳感器性能，如固有頻率，最大超調量，上升時間等。