薄片石英應力傳感器標定及應用

康家碩 林鵬 陳塞飛 李玉鑫

摘 要：以x切割薄片石英晶片為壓電元件，構造了三明治結構的壓電應力傳感器。在SHPB實驗裝置上，對一維應力條件下薄片石英應力傳感器的動態壓電系數進行了標定，得到了傳感器的壓電系數為2.58±0.03pC/N。將該傳感器作為壓桿式應力計的工作元件，成功測量了片炸藥爆炸傳入桿中的應力波。

關鍵詞：石英晶體；應力傳感器；壓電系數；標定

中圖分類號：O348.2 文獻標志碼：A

0 引言

壓電敏感元件的材料主要有壓電晶體、壓電陶瓷和高聚物極化薄膜，壓電陶瓷和高聚物薄膜由于壓電性能的穩定性較差而限制了其使用。在這幾種壓電材料中，石英晶體是一種響應頻率高（ns量級）且性能穩定的壓電晶體，其介電常數和壓電系數的溫度穩定性相當好，在常溫范圍內幾乎不隨溫度變化，因此，被廣泛應用于沖擊加載下的應力測量。對于應力脈沖寬度小于1 μs、應力峰值小于2.5 GPa的沖擊應力載荷，常使用具有一定厚度（厚度一般大于3 mm）的沿x方向切割的石英圓盤片。這種結構的傳感器也稱為Sandia石英傳感器，其直徑-厚度比一般大于5，測試精度可達2.5 %，但是，Sandia石英應力傳感器不適合置入靶中來進行較長脈沖寬度的應力波測量。為克服Sandia型石英晶體片測試有效時間短的缺點，Chen W采用薄片石英晶片來進行分離式Hopkinson壓桿（簡稱SHPB）中的應力波測量。在軟材料的動態性能測試中，石英晶體被創新性地應用于SHPB實驗的透射波測量，巧妙地解決了軟材料動態力學性能測試實驗中透射應力波微弱的測試難題。但是，薄片石英晶片由于厚度薄，存在強度低、難以重復使用的缺點。

為了克服薄片石英晶片強度低、不能重復使用的缺點并實現對動態應力波的準確測量，該課題對x切割薄片石英應力傳感器的結構進行了封裝工藝研究，并在SHPB實驗裝置上對薄片石英應力傳感器的動態壓電系數進行了實驗標定。將薄片石英應力傳感器應用于一種壓桿式應力計中，完成了薄片炸藥爆炸沖擊載荷的測量。

1 石英應力傳感器封裝

薄片石英晶片在使用中，容易碎裂而不能重復使用。通過在實驗中不斷探索，發現晶片碎裂的原因主要是壓桿的端面的平面度和晶片不匹配造成的。為此，在晶片的兩面覆蓋平面精度高的鋁片來進行保護。如圖1所示，自制的應力傳感器的核心單元是厚度為0.2 mm、直徑為20 mm的x切割石英晶體片，電極由兩側厚度為2 mm、直徑為20 mm的薄鋁片引出，鋁片和石英晶體片之間用導電膠黏結。兩側鋁片不僅起到保護晶片的作用，而且起到收集電荷的作用。在使用時，傳感器的兩側（鋁片表面）均需黏貼絕緣薄膜進行隔離，以便起到絕緣作用。

2 傳感器的標定

2.1 標定方法

石英晶體應力傳感器壓電系數的標定是在分離式SHPB裝置上進行，實驗裝置如圖2所示。由氣槍發射的子彈（打擊桿）以一定的速度撞擊入射桿，產生一個一定幅度的入射波在桿中傳播。波形整形器的作用是消除波形中彌散效應帶來的震蕩，使波形有明顯的波峰。夾在入射桿和透射桿之間的石英晶體應力傳感器因晶體片的壓電效應從而將承受的沖擊載荷轉換為壓電電荷，由電荷放大器采集并由示波器記錄。透射桿上的應力波由應變片測量，利用超動態應變儀處理電阻應變片的信號，再由示波器記錄。

2.2 標定結果

鑒于石英晶體片的壓電效應呈線性關系，因此，選用不同的子彈撞擊速度，進行多次實驗，得到多個（電荷-沖擊力）實驗點，再通過最小二乘法擬合得到石英晶體應力傳感器的壓電系數。十片傳感器的標定結果見表1。

對表1中十個數據點進行統計，得到傳感器壓電系數為：2.58±0.03pC/N。Ur為測試結果的相對不確定度。

3 應用

薄片炸藥常用于模擬強脈沖X射線輻照圓柱形結構產生的余弦分布沖量載荷，在載荷設計中需要知道炸藥的比沖量參數。薄片炸藥的比沖量特性是一個重要的參數，需要通過實驗來測定。將薄片石英應力傳感器作為工作元件，構成壓桿式應力計。對一種0.4 mm厚度的片炸藥爆炸產生的載荷進行了測量，圖3給出了實驗測得的壓桿中傳播的沖擊應力波波形。對應力波波形積分，可以得到片炸藥的比沖量。對比沖量的實驗結果和理論計算結果值比較，不確定度小于5 %，說明了該測量系統是可靠的。

4 結語

以直徑20 mm、厚度0.2 mm的x切割石英晶片為傳感元件，以導電膠黏結直徑20 mm、厚度2 mm的鋁片作為電極，構成了一種薄片石英壓電應力傳感器。實驗中發現，鋁片不僅起到了電極的作用，而且對石英晶片起到了保護作用，使傳感器可以使用多次而不破壞，有效降低了實驗成本。對傳感器進行了一維應力加載標定實驗，得到其壓電系數為2.58±0.03pC/N。利用石英應力傳感器對爆炸載荷進行了準確的測量。該課題的研究具有重要的工程使用價值。

參考文獻

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