薄片石英應(yīng)力傳感器標(biāo)定及應(yīng)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(gòu)造了三明治結(jié)構(gòu)的壓電應(yīng)力傳感器。在SHPB實(shí)驗(yàn)裝置上，對(duì)一維應(yīng)力條件下薄片石英應(yīng)力傳感器的動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，得到了傳感器的壓電系數(shù)為2.58±0.03pC/N。將該傳感器作為壓桿式應(yīng)力計(jì)的工作元件，成功測(cè)量了片炸藥爆炸傳入桿中的應(yīng)力波。

關(guān)鍵詞：石英晶體；應(yīng)力傳感器；壓電系數(shù)；標(biāo)定

中圖分類號(hào)：O348.2 文獻(xiàn)標(biāo)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(wěn)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(yīng)頻率高（ns量級(jí)）且性能穩(wěn)定的壓電晶體，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化，因此，被廣泛應(yīng)用于沖擊加載下的應(yīng)力測(cè)量。對(duì)于應(yīng)力脈沖寬度小于1 μs、應(yīng)力峰值小于2.5 GPa的沖擊應(yīng)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(jié)構(gòu)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(cè)試精度可達(dá)2.5 %，但是，Sandia石英應(yīng)力傳感器不適合置入靶中來進(jìn)行較長(zhǎng)脈沖寬度的應(yīng)力波測(cè)量。為克服Sandia型石英晶體片測(cè)試有效時(shí)間短的缺點(diǎn)，Chen W采用薄片石英晶片來進(jìn)行分離式Hopkinson壓桿（簡(jiǎn)稱SHPB）中的應(yīng)力波測(cè)量。在軟材料的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試中，石英晶體被創(chuàng)新性地應(yīng)用于SHPB實(shí)驗(yàn)的透射波測(cè)量，巧妙地解決了軟材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中透射應(yīng)力波微弱的測(cè)試難題。但是，薄片石英晶片由于厚度薄，存在強(qiáng)度低、難以重復(fù)使用的缺點(diǎn)。

為了克服薄片石英晶片強(qiáng)度低、不能重復(fù)使用的缺點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力波的準(zhǔn)確測(cè)量，該課題對(duì)x切割薄片石英應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了封裝工藝研究，并在SHPB實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)薄片石英應(yīng)力傳感器的動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。將薄片石英應(yīng)力傳感器應(yīng)用于一種壓桿式應(yīng)力計(jì)中，完成了薄片炸藥爆炸沖擊載荷的測(cè)量。

1 石英應(yīng)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(fù)使用。通過在實(shí)驗(yàn)中不斷探索，發(fā)現(xiàn)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(jìn)行保護(hù)。如圖1所示，自制的應(yīng)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(cè)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(dǎo)電膠黏結(jié)。兩側(cè)鋁片不僅起到保護(hù)晶片的作用，而且起到收集電荷的作用。在使用時(shí)，傳感器的兩側(cè)（鋁片表面）均需黏貼絕緣薄膜進(jìn)行隔離，以便起到絕緣作用。

2 傳感器的標(biāo)定

2.1 標(biāo)定方法

石英晶體應(yīng)力傳感器壓電系數(shù)的標(biāo)定是在分離式SHPB裝置上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。由氣槍發(fā)射的子彈（打擊桿）以一定的速度撞擊入射桿，產(chǎn)生一個(gè)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(yīng)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(yīng)力傳感器因晶體片的壓電效應(yīng)從而將承受的沖擊載荷轉(zhuǎn)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(yīng)力波由應(yīng)變片測(cè)量，利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀處理電阻應(yīng)變片的信號(hào)，再由示波器記錄。

2.2 標(biāo)定結(jié)果

鑒于石英晶體片的壓電效應(yīng)呈線性關(guān)系，因此，選用不同的子彈撞擊速度，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，得到多個(gè)（電荷-沖擊力）實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，再通過最小二乘法擬合得到石英晶體應(yīng)力傳感器的壓電系數(shù)。十片傳感器的標(biāo)定結(jié)果見表1。

對(duì)表1中十個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到傳感器壓電系數(shù)為：2.58±0.03pC/N。Ur為測(cè)試結(jié)果的相對(duì)不確定度。

3 應(yīng)用

薄片炸藥常用于模擬強(qiáng)脈沖X射線輻照?qǐng)A柱形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的余弦分布沖量載荷，在載荷設(shè)計(jì)中需要知道炸藥的比沖量參數(shù)。薄片炸藥的比沖量特性是一個(gè)重要的參數(shù)，需要通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。將薄片石英應(yīng)力傳感器作為工作元件，構(gòu)成壓桿式應(yīng)力計(jì)。對(duì)一種0.4 mm厚度的片炸藥爆炸產(chǎn)生的載荷進(jìn)行了測(cè)量，圖3給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓桿中傳播的沖擊應(yīng)力波波形。對(duì)應(yīng)力波波形積分，可以得到片炸藥的比沖量。對(duì)比沖量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果值比較，不確定度小于5 %，說明了該測(cè)量系統(tǒng)是可靠的。

4 結(jié)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(dǎo)電膠黏結(jié)直徑20 mm、厚度2 mm的鋁片作為電極，構(gòu)成了一種薄片石英壓電應(yīng)力傳感器。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鋁片不僅起到了電極的作用，而且對(duì)石英晶片起到了保護(hù)作用，使傳感器可以使用多次而不破壞，有效降低了實(shí)驗(yàn)成本。對(duì)傳感器進(jìn)行了一維應(yīng)力加載標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，得到其壓電系數(shù)為2.58±0.03pC/N。利用石英應(yīng)力傳感器對(duì)爆炸載荷進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)量。該課題的研究具有重要的工程使用價(jià)值。

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