壓電薄膜振動傳感器靈敏度與頻響標定研究

汪思奇，汪忠睿，吳志堅，劉也銘，辛 毅

(1.吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130061；2. 華東理工大學 化工學院，上海 200237)

0 引言

自上世紀60年代日本學者H.KaWai測得聚偏氟乙烯(PVDF)高分子材料具有良好的壓電性能以來，其優異的壓電性能及易彎曲、抗沖擊等優點備受科學界和工程界的矚目[1-3]。近年來，隨著材料生產和加工技術的不斷進步，PVDF壓電薄膜傳感器制造技術也逐漸走向成熟[4]。在PVDF壓電傳感器制造領域中，傳感器性能參數測量是很重要的環節。因此，如何對傳感器性能參數進行評估和標定已成為傳感器技術不斷向前發展必須面對的關鍵問題之一[5]。

傳統壓力傳感器性能測量方法主要有空腔諧振測量法、在高壓、高頻的條件下空腔非諧振測量法及喇叭式壓力發生器測量法[6-7]3類。空腔諧振和空腔非諧振式的正弦信號發生器波形會發生嚴重畸變，故一般適用于低頻范圍或小壓力的測量，但該系統復雜，不易操作。喇叭式壓力發生器可產生波形良好的高頻壓力，但在空氣中的聲壓較小，測量誤差大。

本文針對壓電薄膜傳感器的性能檢測，設計了一套以可調頻激振臺作為核心的壓電傳感器靈敏度和頻響測量裝置，實現壓電薄膜傳感器靈敏度和頻響特性的標定。同時基于該標定裝置對自制壓電薄膜傳感器的靈敏度影響因素進行了研究。

1 系統總體設計方案

壓電薄膜振動傳感器標定裝置主要由電磁激振源、垂直振動臺、傳感器支架和數字示波器組成，如圖1所示。系統體積小，具有良好的操作性。測試振源采用天津市廣器檢測設備公司生產的吸合式電磁振動臺，將傳感器支架固定在垂直振動臺臺體中心處，振動信號同時傳入基準傳感器和待測傳感器，經過調理電路通道1和通道2分別輸出，通過數字示波器對比兩傳感器的輸出電壓峰值，通過計算能夠得到待測傳感器的靈敏度。通過記錄不同頻率下振動的電壓輸出曲線得出傳感器的頻響特性曲線。

圖1 標定系統照片

2 待標定傳感器制備

實驗標準傳感器采用美國精量電子公司生產的MEAS型壓電傳感器，該傳感器的靈敏度為750 μV/Pa，待測傳感器采用自行制作的傳感器。剪裁長和寬分別為2 cm和1 cm的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜用于制作壓電薄膜傳感器[8]。在剪裁完成的薄膜上，用丙酮和酒精作為腐蝕劑，對PVDF薄膜的邊緣進行非金屬化處理，處理后的薄膜可以在厚度方向上避免發生短路現象[9]。由于導電銀膠的粘著力與粘著面積有關，所以若使用銅導線進行粘結，會因為接觸面積過小而使得導線和電極之間的粘接不牢固。此外，薄銅片加工應盡可能短，并用膠槍對薄銅片和導線連接處進行封裝。這樣既可以減小導線與PVDF壓電薄膜間的距離,提高傳感器的電荷靈敏度，又可以在導線受到應力作用時，減小材料間的相互作用力，從而提高了傳感器的穩定性。

3 信號調理電路設計

當壓電薄膜發生微小形變時,由傳感器輸出的電荷信號微弱[10]。所以前置電路中第一級電荷放大器不僅要把電荷信號轉變為電壓信號,而且還要對初始的電荷信號進行放大。考慮到負反饋電路具有提高電路穩定性,提高輸入阻抗,降低輸出阻抗,改善電路非線形失真,改善電路頻率特性和減小輸出噪聲等優點,所以將前置電路第二級電壓放大電路設計為一個帶有負反饋網絡的電壓放大器。初始信號經過前兩級放大電路得到放大。綜上所述,所設計的前置放大電路是一個二級放大電路。第一級是電荷放大電路,第二級是電壓放大電路,此兩級電路連接的前后順序不能顛倒。調理電路印制電路板(PCB)制版焊接后照片如圖2所示。

圖2 調理電路PCB板照片

4 傳感器頻響測試及靈敏度標定

4.1 測試原理

本文采用間接比較法測量傳感器靈敏度，將基準傳感器和待測傳感器同時安裝在垂直振動臺支架上，兩個壓電傳感器同步收到電磁振動臺的振動，分別測量兩只壓電傳感器輸出的峰值電壓V標和V測后可得：

M測=M標·V測/V標

(1)

式中：M標，M測分別為標準傳感器與待測傳感器靈敏度。通過計算式(1),可對待測傳感器的靈敏度進行標定。

4.2 傳感器頻響特性及靈敏度標定結果

系統的測量頻率理論上不存在上下限，但實際中電磁振動臺在低頻時發射功率較低，信噪比較小，限制了頻率下限。因此，本測量系統的設計頻帶為5～100 Hz。將自制待測傳感器與標準傳感器安裝在測試支架上，輸出端與調理電路引線連接。選取多個信號頻率，分別測量每個頻率各傳感器的輸出電壓,得到傳感器頻響特性曲線如圖3所示。由于傳感器的封裝材料彈性系數不同，所以傳感器的共振頻率不同。

圖3 傳感器頻響特性曲線

在20 Hz處示波器上標準傳感器波形的峰值電壓為1.4 V，被測傳感器波形的峰值電壓為0.6 V。根據振動實驗測得不同頻率下傳感器的頻率響應數據，將M標=750 μV/Pa、V標和V測代入式(1)即可算出被測傳感器的靈敏度。根據計算結果繪制的傳感器靈敏度隨頻率變化曲線如圖4所示。為測試所設計標定系統的穩定性,實驗對標準傳感器進行了重復測量。實驗結果表明，檢測系統的靈敏度誤差在±5 μV/Pa，滿足使用需求。該系統的測試原理、系統組成和測試結果顯示，該標定系統具備整體體積小，操作便捷，測量誤差小，穩定性高的特點。

圖4 傳感器靈敏度對比曲線

5 壓電薄膜傳感器性能影響因素分析

5.1 壓電薄膜面積對傳感器靈敏度的影響

基于本文研制的標定系統測試了壓電薄膜面積對傳感器靈敏度的影響。增加壓電薄膜的長度和寬度(即受力面積)，可有效地增加PVDF 壓電薄膜所產生的表面電荷量[11-12]，進而增大壓電傳感器的靈敏度。實驗設計了3種薄膜面積不同的傳感器(1#尺寸為10 mm×20 mm，2#尺寸為10 mm×15 mm，3#尺寸為10 mm×10 mm)，并分別對其靈敏度進行了標定，各傳感器靈敏度曲線如圖5所示。由圖可看出，隨著壓電薄膜面積的增加，壓電傳感器的靈敏度也隨之提高。因此，在傳感器的設計制作過程中，要充分考慮壓電材料面積對傳感器靈敏度的影響。

圖5 3種不同面積傳感器靈敏度對比曲線

5.2 串并聯方式對傳感器性能的影響

基于本文所研制的標定系統測試分析了多個壓電傳感器感芯的連接方式對傳感器性能的影響。將兩個PVDF壓電傳感器感芯安裝在激振臺支架上，激振臺振動時兩個壓電傳感器以相同的頻率振動，從而輸出相近的電壓值。將兩個壓電傳感器的輸出分別進行并聯和串聯連接,實驗測得的傳感器輸出電壓對比曲線如圖6所示。由圖可看出，兩個壓電傳感器感芯串聯時，傳感器的輸出電壓特性與單個感芯時基本一致；兩個壓電傳感器感芯并聯時，在一定頻率時輸出可達到單個感芯時輸出的2倍，有效地提高了傳感器的靈敏度和頻響特性。這是由于將兩片壓電薄膜串聯時，內阻加倍，泄露電荷增加，無法有效地增大輸出信號；并聯時，內阻減小，泄露電荷減少，比單片壓電薄膜更多的正負電荷分別在兩極聚集進入回路，有效地增大了輸出信號。

圖6 實驗測得的傳感器輸出電壓對比曲線

6 結束語

與壓電陶瓷等傳統壓電材料相比，聚合物壓電薄膜更柔韌、耐熱耐腐蝕，在復雜應用環境下有更好的適用性。壓電薄膜振動傳感器的標定具有很重要的實際意義。本文設計了一套以可調頻激振臺作為核心的壓電傳感器靈敏度標定裝置。測試結果表明，整套系統可很好地實現對被測傳感器靈敏度的標定，在振動傳感器測試領域有廣闊的應用前景。另外，本文還基于該標定系統對壓電薄膜傳感器的影響因素進行了研究。