PVDF薄膜传感器制作及标定

自制PVDF薄膜压力传感器的标定CalculationOfBalanceResistanceInElectricalBridgeOfStainGauge王永强*肖英淋刘长林王文杰WangYongqiang,XiaoYinglin,LiuChanglin,WangWenjie（北京理工大学爆炸科学技术国家重点实验室）BeijingInstituteofTechnology,StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology摘要：PVDF(聚偏氟乙烯)及其共聚物压电计具有响应快、灵敏度高、测压范围宽等特点，是一种理想的冲击压力传感器。本文利用PVDF压电薄膜自制了薄膜传感器，并进行落锤动态标定实验，实验结果表明其具有相当高的线性拟合度和较好的重复性，可以用于低压段冲击波压力测量。关键词：压力测试，PVDF薄膜，标定中图分类号：TM930文献标识码：AAbstract:PolyvinylideneFluoride(referredtoasPVDF)piezoelectricthinfilmisanewtypeofpolymerpiezoelectricmaterials.Becauseofitslightweight,thinthickness,highsensitivity,highmechanicalstrength,widefrequencyresponserangeandotheradvantages，ithastheapplicationprospectintheexplosionfield。WemadeoffilmsensorsbasedonthePVDFpiezoelectricfilmasthesensitiveelementinthisthesis，andconductedthelowdynamicpressurecalibrationtests，theresultshowedthatithasaveryhighlineardegreeandgoodreproducibility,canbeusedforlowpressuresectionoftheshockwavepressuremeasurement.1引言在爆炸冲击测试领域里，脆性材料表面和曲面材料所受的冲击波压力测量一直是一个难以解决的问题。采用粘贴型的薄膜传感器是解决其测试难点的较好的方法，传统的贴片传感器主要是金属丝制成的薄膜压力传感器在测试强冲击压力时采用（百MPa以上时），在较低的空气冲击波压力下（零点几兆帕~几十兆帕范围内）没有较好的方法。PVDF(聚偏氟乙烯)及其共聚物压电计具有响应快、灵敏度高、测压范围宽等特点，为解决这一问题提供了途径【1…7】。在爆炸冲击波实验中，很多时候试验试件是放置在离炸药一定距离之外，其空气冲击波压力也就是零点几兆帕~几兆帕，国内对PVDF薄膜压力传感器的标定方法通常是采用霍普金森杆实验装置进行标定【2-5】，但是该实验装置输出压力在百兆帕以上，零点几兆帕~几兆帕的压力范围的标定却没有做过，因此本文采用落锤动态标定实验对自制的PVDF薄膜传感器进行了标定实验，实验结果表明自制的传感器具有相当高的线性拟合度和较好的重复性，可以用于低压段冲击波压力测量。2PVDF薄膜传感器测压原理*基金项目：北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室青年基金，基金号：QNKT12-0作者简介：王永强，男，1975年生，工学博士，主要从事爆炸测试技术研究，联系方式：[e-mail]薄膜是本世纪70年代在日本问世的一种经特殊加工后能将动能转化成电能的新型压电聚合体材料，应用该种材料制成的压电膜，当接受到模型材料的振动时，压电膜产生压电效应。该压电效应是可逆的：当外荷载施加到薄膜上时，就会产生电压；当卸去外荷载时，就会产生极性相反的信号【2】。其压电方程为【1】：TDdTE(1)其中：T—应力矩阵，TTxyzxyzzzyyxx，，，，，D—面电荷密度矩阵，D=（Dx，Dy，Dz）T；ε—介电常数矩阵；E—电场强度。在电场强度E=0，电学输出短路的条件下对PVDF压电薄膜施加应力T，那么PVDF压电薄膜会将将外界的力学量转化成电信号输出，最终会在晶体表面会产生相应的电响应。因此，PVDF压电薄膜的压电方程可简化为：DdT(2)其中d是三行六列的压电常数矩阵，如式（3）所示：15243132330000000000000mndddddd(3)式中，dij（i=1,2,3,；j=1，2，…6）是压电常数，第一个脚注i表示晶体的极化方向，当产生电荷的表面垂直于x轴（y轴或z轴）时，记作i=1（或2或3）；第二脚注j=1或2,3,4,5,6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴的平面内作用的剪切力，如图1所示。根据（2）式：zz33yy32xx313dddD(4)由于PVDF薄膜z轴方向上的尺寸远远大于x，y轴方向上的尺寸且主要承受z轴方向的压力，因此zzd33yy32xx31dd，所以式（4）简化为：zz333dD(5)PVDF压电薄膜产生的电荷为：zzAdADQ333(6)式中，A—PVDF压电薄膜面积。式（6）表明，PVDF压电薄膜表面输出的电荷量与垂直于表面的压力成正比关系，利用PVDF压电效应，可以把薄膜上的压力变化通过外接电路线性地转换为电荷量的变化。图1PVDF薄膜的极化方向及受力图Fig.1ThepolarizationdirectionandforcedofPVDFthinfilmsdiagram3自制PVDF薄膜压电传感器结构及标定实验实验采用锦州科信电子材料有限公司生产的PVDF薄膜，压电常数d33为20Pc/N，厚度50μm，其结构为表面镀铝膜，中间为PVDF薄膜的三明治结构。图2PVDF薄膜结构示意图Fig.2SchematicdiagramofPVDFthinfilmstructure以该薄膜为压电感芯，尺寸裁剪为为5×10mm，在其上下表面压以铜箔，作为电极引出，再以聚对苯二甲酸类（PET）塑料薄膜材料对其封装作为其保护层，中间填充环氧树脂粘结剂进行粘结，其结构示意图及实物图如图所示【6,7】。图3PVDF薄膜传感器结构示意图及实物图Fig.3SchematicdiagramandthephysicalmapofPVDFthinfilmsensorstructure传感器制作完成后需要标定其灵敏度，本文采用落锤标定试验装置对其低压段进行标定，观察其线性拟合度。试验装置由标准压力传感器、PVDF压电薄膜传感器、1个2.2kg重锤(Ф60×100)、1个1mL油缸、1个油缸活塞杆(Ф8×70)、1个活塞杆定位套、两台电荷放大器、一台示波器等组成。该装置是利用重锤、活塞杆和油缸中的硅油相互作用过程中形成毫秒量级的动态压力扰动，压力波形接近半个正弦波，在记录仪器中可以获取标准压力传感器的输出信号和被标压力传感器的输出信号，经数据处理后可以得到被标压力传感器的灵敏度和非线性误差水平，实现PVDF压电薄膜传感器的标定。落锤试验装置如图4所示图4落锤装置实物图Fig.4dropdevicephysicalmap将PVDF压电薄膜传感器与标准压力传感器的电缆接到电荷放大器CH1、CH2输入端，输出端再分别接入示波器的CH1，CH2通道。将重锤置于的不同高度，系统将输出不同压力。从自制的30个传感器中任意选取3个PVDF压电薄膜传感器进行了标定，编号分别为1、2、3，每个传感器做了7组实验。其典型输出波形如图5所示。图5PVDF薄膜压力传感器及标准传感器实测波形图Fig.5PVDFthinfilmpressuresensorandastandardsensormeasuredwaveform利用标准压力传感器的已知灵敏度及其电压峰值可以推算PVDF薄膜传感器的电荷量，其试验结果列于表1,2,3中。对实验数据进行线性拟合其结果如图6，图7，图8所示。表11号传感器实验数据Tab.1NO.1sensorexperimentaldata名称/编号1234567超压（MPa）1.28881.82552.80513.88244.24154.88015.8775电荷量（pc）1858.012594.613750.315011.425519.426052.827170.42图61号PVDF压电薄膜传感器数据拟合图Fig.6NO.1PVDFfilmpressuresensordatafitfigurey=1156x+469.64R²=0.997801000200030004000500060007000800002468电荷量（pc）超压（MPa）系列1线性(系列1)表22号传感器实验数据处理Tab.2NO.2sensorexperimentaldata名称/编号1234567超压（MPa）1.36862.72533.24404.00014.84015.19536.1967电荷量（pc）1477.012848.613559.814605.025722.626078.226891.02图72号PVDF压电薄膜传感器数据拟合图Fig.7NO.2PVDFfilmpressuresensordatafitfigure表33号传感器实验数据处理Tab.3NO.3sensorexperimentaldata名称/编号1234567超压（MPa）1.00951.56812.80513.77284.44105.11945.7578电荷量（pc）1379.221946.913830.324841.245527.046035.046619.24图83号PVDF压电薄膜传感器数据拟合图Fig.8NO.3PVDFfilmpressuresensordatafitfigurey=1181.2x-191.75R²=0.992301000200030004000500060007000800002468电荷量量（pc）超压（MPa）系列1线性(系列1)y=1125.5x+376.11R²=0.988501000200030004000500060007000800002468电荷量（pc）超压（MPa）系列1线性(系列1)线性(系列1)4结论通过图6、图7、图8的拟合图形可以看出，在低压冲击下，单个PVDF传感器的线性拟合度分别可以达到99.7﹪、99.2﹪、98.8﹪，每个传感器的灵敏度相差不大，分别为1156pc/MPa、1181pc/MPa、1125pc/MPa，这说明在低压冲击状态下，研制的PVDF压电薄膜传感器具有很好的重复性和稳定性，这充分说明自制PVDF薄膜压力传感器完全可以用于空气冲击波压力测量。该实验也探求了低压段的PVDF薄膜压力传感器标定方法，填补了其低压段的数据空白。参考文献：1.蔡军峰，易建改，檀朝彬，王波.PVDF压电传感器在爆炸冲击波测量中的应用.传感器世界.2005.32.张向阳,徐景茂,陈安敏,顾雷雨.PVDF压电传感器在模型化爆中的应用.计量与测试技术,2009,vol36,123.曾辉,余尚江,杨吉祥,丁世敬.PVDF压力传感器的动态灵敏度校准.传感器技术,2003年第22卷第10期.4.易一,易建伟,PVDF应力传感器的设计、标定及其在混凝土冲击试验中的应用.湖南大学学报（自然科学版）,2009年12月第36卷第12期.5.张安跃,唐志平,郑航.PVDF压力传感器的冲击压电特性研究.实验力学.Jun.2009,vol24,NO.36.李焰,王凯民,谭红梅,严楠.PVDF应力计在起爆试验研究中的应用.火工品,2003年第3期.7.杜晓松,杨邦朝,周鸿仁.PVDF冲击波压力传感器的制备和应用.功能材料.2002,33（1）.