基于聚偏氟乙烯壓電薄膜的幾種物理因素識別

林埔安 李小龍 江子涵

【摘要】聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜具有壓電性、熱釋電性。本文實驗測試了PVDF壓電薄膜在五種不同物理因素作用下的傳感信號。分析了這些信號頻率和電壓的差異性，從而確定PVDF壓電薄膜可應(yīng)用到單傳感器多種物理因素識別領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】PVDF壓電薄膜;傳感器;多物理因素

1.引言

聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）是半晶質(zhì)有機(jī)聚合體，此聚合體由重復(fù)的CF2-CF2長鏈分子組成，經(jīng)過一定化學(xué)工藝處理使得PVDF薄膜具有壓電性、熱釋電性。PVDF可輸出較大的電壓值，薄膜質(zhì)量輕、韌揉、變形強(qiáng)度高、頻率響應(yīng)很寬。應(yīng)用PVDF制作的傳感器種類甚多，與微電子技術(shù)相結(jié)合，能制成多功能傳感元件。PVDF壓電薄膜優(yōu)越的傳感性能引起了用其作為力學(xué)量傳感的研究熱點，如用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)、各種力學(xué)傳感器。在應(yīng)用過程中，PVDF作為傳感器幾乎都是應(yīng)用于單物理因素作用。而在本文中進(jìn)行了PVDF壓電薄膜在溫度、風(fēng)速、沙塵、水、噪音等五種物理因素下的信號變化研究，期望能將PVDF壓電薄膜推廣到多物理因素傳感。

2.多物理因素測試

由于環(huán)境中的因素很多，不可能消除背景因素對信號的影響，因此此次實驗都是基于背景因素的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對波形的分析處理后，對實驗結(jié)果沒有影響。如圖1所示，搭建信號測試系統(tǒng)，壓電薄膜中的信號輸入到數(shù)字示波器中分析，檔位設(shè)置中噪音抑制打開，Auto檔位打開。測試中所用的PVDF壓電薄膜尺寸為40mm×40mm，實驗環(huán)境為20℃、環(huán)境噪音20dB、無風(fēng)、封閉。以下給出PVDF壓電薄膜在不同因素下的信號反應(yīng)。

圖1 多物理因素測試示意圖

2.1 溫度

將PVDF壓電薄膜置于太陽能燈前。實驗測試范圍25℃～60℃（當(dāng)溫度超過80℃，壓電薄膜就會到達(dá)它的居里溫度，使它內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致壓電性的改變或消失），每隔5℃記錄二十組數(shù)據(jù)。根據(jù)多組數(shù)據(jù)顯示，在大約前2～4s內(nèi)，波形電壓值一直增加，接著處于平穩(wěn)狀態(tài)，頻率值接近0Hz，其電壓變化數(shù)值與溫度成正比。下面給出溫度為30℃、40℃、50℃、60℃下的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，見表1。

表1

2.2 風(fēng)速

用風(fēng)扇模擬自然條件下的風(fēng)。測試了風(fēng)速為0.5m/s～8m/s十六組強(qiáng)度風(fēng)速下的信號變化，每種因素下測試20組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)間間隔2分鐘。根據(jù)大量數(shù)據(jù)顯示，頻率范圍大約在0.3Hz～66.17Hz。下面給出風(fēng)速在約1m/s、約3m/s、約5m/s、約7m/s下的實驗數(shù)據(jù)，見表2。

表2

2.3 沙塵

用直徑小于0.25mm的細(xì)沙和粉沙，使其具有2m/s的速度，用帶篩孔的容器內(nèi)裝有沙塵吹打在PVDF壓電薄膜上。實驗過程中測試了10mg/m3～500mg/m3含塵量下的沙塵，每隔10mg/m3記錄十組數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)濃度出現(xiàn)量級的改變時，PVDF的波形變化更加明顯。以下為50mg/m3、200mg/m3、500mg/m3 的數(shù)據(jù)，見表3。

表3

2.4 雨滴

用帶篩孔的容器內(nèi)裝有水模擬下雨?？刂朴甑未蛟赑VDF薄膜上的速度為2m/s，使其打在PVDF壓電薄膜上。分別測量雨流量0mm～50mm共10種因素強(qiáng)度，每種因素強(qiáng)度下測試20組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)間間隔2分鐘。以下為雨流量為5mm、10mm、20mm、50mm下的實驗數(shù)據(jù)，見表4。

表4

表5

2.5 噪音

用頻率發(fā)生器軟件產(chǎn)生產(chǎn)生不同頻率和分貝，由外置音響產(chǎn)生，分貝計軟件粗略檢測分貝大小。根據(jù)環(huán)境噪音標(biāo)準(zhǔn)查詢，實驗過程測試了10Hz～30000Hz的頻率和不同分貝條件下的變化，大量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，對于頻率在約1.1×103Hz以上和約75Hz以下時，PVDF反應(yīng)不大。下面給出1×102～1×103Hz下85dB、87dB、89dB、90dB、91dB、92dB影響下的波形反應(yīng)（由于不同頻率同一分貝下PVDF信號的頻率和電壓值也是不同的），表5。

3.分析

圖2是數(shù)字示波器截取的各物理因素典型波形圖。從圖波形的差別看，理論上各物理因素是可以有PVDF壓電膜區(qū)分的。風(fēng)速波形與沙塵的波形較為接近，可引入環(huán)境差別傳感加以區(qū)分。根據(jù)上面測試的數(shù)據(jù)繪制成的信號頻率交疊圖圖3。在測試過程中，都是模擬實際生活中因素的強(qiáng)度進(jìn)行測試的。根據(jù)結(jié)果顯示，在判斷這些因素時，可以將非交疊部分作為此種因素的識別調(diào)節(jié)條件。

圖2 各物理因素典型波形圖

圖3 各因素信號頻率交疊圖

首先，溫度因素的頻率遠(yuǎn)低于其它因素，隨溫度增加傳感電壓確與其它因素相當(dāng)，因此，如果僅傳感電壓增加而其頻率在零處并無太大變化，即可判斷僅溫度單一物理因素作用。當(dāng)雨滴雨流量超過50mm時，也能明顯地粗略的識別。

在工程實踐中，如果考慮將各各物理因素的強(qiáng)度進(jìn)行一個閾值劃分，比如有害和無害、或有益和無益，那么溫度以外的其它四個因素依然可以區(qū)分。比如在智能家居中，環(huán)境風(fēng)速大于5m/s（閾值）被認(rèn)為有害，從圖3看出，這時風(fēng)速因素的頻率與噪音頻率段沒有交疊，也因此很容易將風(fēng)速區(qū)分出來。而當(dāng)噪音超過90dB被認(rèn)為有害，即使頻率處于風(fēng)速與噪音頻率的交疊段，但由于噪音因素作用下的電壓最大值遠(yuǎn)大于風(fēng)速，因此也能區(qū)分出噪音。

在處理噪音、風(fēng)速、沙塵條件，噪音、風(fēng)速、沙塵之下的信號頻率不是太懸殊，可引入環(huán)境差別傳感加以區(qū)分。采用兩片PVDF薄膜，一片在上面，能夠接收到沙塵、雨滴因素的影響，一片置于下面，不受沙塵、雨滴的影響，兩片PVDF薄膜除了沙塵、水滴的因素有差異，其他因素均相同。將其信號進(jìn)行對比，相同即是噪音、風(fēng)，不同則是沙塵。

4.結(jié)論

設(shè)置一系列的實驗，測試在5種物理因素不同強(qiáng)度作用下PVDF壓電薄膜信號的電壓和頻率，發(fā)現(xiàn)PVDF壓電薄膜對這五種作用因素均有明顯的反應(yīng)。實驗驗證，PVDF壓電薄膜信號是可以通過頻率的差異、電壓值的不同和環(huán)境差異處理方式（兩片PVDF放置不同位置，同時對比兩種信號的差異）分辨出來的。PVDF壓電薄膜在單傳感器多因素傳感的工程實踐中具有潛在的價值。

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