PVDF壓電薄膜測量脈動壓力可行性研究

白志剛

摘? 要：PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子聚合物型傳感器材料，具有高的壓電常數，質量輕、柔性好、加工性能好、頻率響應寬、對高頻激勵實用性強等優點，該文利用PVDF薄膜的壓電特性設計了一種傳感器，通過對傳感器測試發現，在測量壓力范圍內，PVDF壓電薄膜傳感器具有良好的線性度、較高的靈敏度、較寬的頻域響應、較低的遲滯性誤差和重復性誤差，并且溫度對傳感器的靈敏度影響較大，實際測試時需考慮溫度的影響，激勵測試表明PVDF壓電薄膜傳感器滿足測量脈動壓力的需求。

關鍵詞：脈動壓力;PVDF壓電薄膜;動靜干涉;傳感器

中圖分類號：TP206? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

目前，廣泛采用在葉片上焊接滯止齒的方法測量脈動壓力，但存在焊接工藝不穩定，焊后受感部周向角度和俯仰角度偏差大等問題，嚴重影響測量精度，并且焊接測點受空間所限，經常不能滿足測點布置需要。PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子聚合物型傳感器材料，具有高的壓電常數，是石英材料的十多倍;質量輕，做成傳感器對被測量的結構影響小;柔性好，適合曲面的測量固定;加工性能好，可制成5 μm～1 000 μm厚度不等、形狀不同的薄膜，適合做大面積傳感器陣列器件;頻率響應寬，特別對高頻激勵激勵實用性強等優點，因此，該文利用PVDF薄膜的壓電特性設計了一種傳感器，通過測量傳感器相關參數，研究用其測量脈動壓力的可行性。

1 PVDF壓電薄膜結構

PVDF薄膜屬于壓電材料的一種，宏觀上說，薄膜當受到外力作用時，表面會產生電荷，利用PVDF薄膜壓電效應所設計的傳感器結構如圖1所示，從圖中可以看出，傳感器陣列主要由PVDF壓電薄膜、電極層、絕緣層和保護層共同組成，其中電極層主要作用為引出電荷信號，絕緣層主要為降低外界噪聲等干擾，保護層的作用是為了讓傳感器滿足防水，提高耐磨性等要求。電極信號引出后經過電荷放大，數據采集等后續處理，輸出電壓值，其系統結構示意圖如圖2所示。

2 參數測量

脈動壓力測量要求傳感器具有較高的靈敏度，較好的線性度，頻響范圍不低于1 000 Hz，良好的重復性等，通過實驗和理論分析，研究PVDF壓電薄膜傳感器是否滿足脈動壓力的測試需求。

2.1 靈敏度測量

通過揚聲器發出不同頻率，不同響度的聲音，得到傳感器輸入壓力和輸出電壓之間的關系，經多次實驗測得的輸入聲壓與PVDF壓電薄膜傳感器系統測得的電壓值見表1，通過最小二乘法得到輸入與輸出之間的線性關系，如圖3所示，通過計算該直線非線性誤差為0.68%，表明傳感器具有良好的線性度。

傳感器靈敏度與傳感器面積、電荷放大系數有關，靈敏度計算公式如下：

其中，P為擬合曲線的斜率，λ為電荷放大系數，S為傳感器面積，經計算傳感器的靈敏度為：

2.2 頻域特性

脈動壓力測量需要比較寬的頻率響應范圍，通過加載測量傳感器的頻率響應情況，圖4為PVDF壓電薄膜傳感器輸出的頻率響應情況，從圖1可以看出，PVDF壓電薄膜具有很寬的頻率響應范圍，在所測頻率范圍內響應無明顯下降，滿足測試要求。

2.3 遲滯性誤差

遲滯性誤差表示為傳感器在測量壓力范圍內，各校測點的正程與反程輸出示值最大偏差絕對值與滿量程輸出值之比，其中計算公式如下：

式中：為同一效驗點上正、反行程示值的平均值;Uz靜態校準的滿量程輸出值。通過測試測量的正、反行程的平均值見表2，通過公式（2）計算，傳感器遲滯性誤差約為1.04%，PVDF壓電薄膜傳感器遲滯性不高于常規傳感器。

2.4 其他

重復性誤差表在同一工作條件下，多次按同一方向作全量程加壓時得到的多個特性曲線不一致程度。采用貝塞爾公式分別計算每個效驗點上正反行程的子樣標準偏差，通過多次重復測試，得出傳感器在整個測量范圍內的標準偏差，通過表2中的數值計算得到傳感器的重復性誤差約為4.3%。

另外，在測量脈動壓力過程中，傳感器的工作環境溫度存在變化，通過改變環境溫度，測量傳感器耐熱性及參數變化，通過測量發現傳感器的靈敏度隨溫度的上升逐漸增加，但二者之間不存在線性關系。環境溫度從25 ℃增加到105 ℃，靈敏度增加50 %以上，這表明傳感器靈敏度受溫度的影響不可忽略，在實際測試中需要考慮溫度的影響。

3 結論

PVDF薄膜是一種新型的高分子聚合物型傳感器材料，從試驗及數據分析可知，PVDF薄膜傳感器可滿足測量脈動壓力需求，PVDF壓電薄膜傳感器特點總結如下：

（1）PVDF壓電傳感器厚度較薄，占用空間小，加工性能好，便于測點的布置。

（2）頻率響應較高，適合高速壓力脈動測量。

（3）傳感器本身較好的線性度，具有較高分辨率和可靠性，可提高測試的精度。

（4）PVDF壓電薄膜具有低的遲滯性，高的重復性。

（5）傳感器靈敏度受溫度的影響較大，在實際測試中需要考慮溫度的影響。

參考文獻

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