PVDF壓電薄膜測(cè)量脈動(dòng)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(shù)，質(zhì)量輕、柔性好、加工性能好、頻率響應(yīng)寬、對(duì)高頻激勵(lì)實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，該文利用PVDF薄膜的壓電特性設(shè)計(jì)了一種傳感器，通過(guò)對(duì)傳感器測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在測(cè)量壓力范圍內(nèi)，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(yīng)、較低的遲滯性誤差和重復(fù)性誤差，并且溫度對(duì)傳感器的靈敏度影響較大，實(shí)際測(cè)試時(shí)需考慮溫度的影響，激勵(lì)測(cè)試表明PVDF壓電薄膜傳感器滿足測(cè)量脈動(dòng)壓力的需求。

關(guān)鍵詞：脈動(dòng)壓力;PVDF壓電薄膜;動(dòng)靜干涉;傳感器

中圖分類號(hào)：TP206? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(cè)量脈動(dòng)壓力，但存在焊接工藝不穩(wěn)定，焊后受感部周向角度和俯仰角度偏差大等問(wèn)題，嚴(yán)重影響測(cè)量精度，并且焊接測(cè)點(diǎn)受空間所限，經(jīng)常不能滿足測(cè)點(diǎn)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(shù)，是石英材料的十多倍;質(zhì)量輕，做成傳感器對(duì)被測(cè)量的結(jié)構(gòu)影響小;柔性好，適合曲面的測(cè)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(yīng)寬，特別對(duì)高頻激勵(lì)激勵(lì)實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，該文利用PVDF薄膜的壓電特性設(shè)計(jì)了一種傳感器，通過(guò)測(cè)量傳感器相關(guān)參數(shù)，研究用其測(cè)量脈動(dòng)壓力的可行性。

1 PVDF壓電薄膜結(jié)構(gòu)

PVDF薄膜屬于壓電材料的一種，宏觀上說(shuō)，薄膜當(dāng)受到外力作用時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生電荷，利用PVDF薄膜壓電效應(yīng)所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)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(hù)層共同組成，其中電極層主要作用為引出電荷信號(hào)，絕緣層主要為降低外界噪聲等干擾，保護(hù)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(hào)引出后經(jīng)過(guò)電荷放大，數(shù)據(jù)采集等后續(xù)處理，輸出電壓值，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2 參數(shù)測(cè)量

脈動(dòng)壓力測(cè)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(fù)性等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，研究PVDF壓電薄膜傳感器是否滿足脈動(dòng)壓力的測(cè)試需求。

2.1 靈敏度測(cè)量

通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)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(guān)系，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸入聲壓與PVDF壓電薄膜傳感器系統(tǒng)測(cè)得的電壓值見(jiàn)表1，通過(guò)最小二乘法得到輸入與輸出之間的線性關(guān)系，如圖3所示，通過(guò)計(jì)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(shù)有關(guān)，靈敏度計(jì)算公式如下：

其中，P為擬合曲線的斜率，λ為電荷放大系數(shù)，S為傳感器面積，經(jīng)計(jì)算傳感器的靈敏度為：

2.2 頻域特性

脈動(dòng)壓力測(cè)量需要比較寬的頻率響應(yīng)范圍，通過(guò)加載測(cè)量傳感器的頻率響應(yīng)情況，圖4為PVDF壓電薄膜傳感器輸出的頻率響應(yīng)情況，從圖1可以看出，PVDF壓電薄膜具有很寬的頻率響應(yīng)范圍，在所測(cè)頻率范圍內(nèi)響應(yīng)無(wú)明顯下降，滿足測(cè)試要求。

2.3 遲滯性誤差

遲滯性誤差表示為傳感器在測(cè)量壓力范圍內(nèi)，各校測(cè)點(diǎn)的正程與反程輸出示值最大偏差絕對(duì)值與滿量程輸出值之比，其中計(jì)算公式如下：

式中：為同一效驗(yàn)點(diǎn)上正、反行程示值的平均值;Uz靜態(tài)校準(zhǔn)的滿量程輸出值。通過(guò)測(cè)試測(cè)量的正、反行程的平均值見(jiàn)表2，通過(guò)公式（2）計(jì)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(guī)傳感器。

2.4 其他

重復(fù)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(shí)得到的多個(gè)特性曲線不一致程度。采用貝塞爾公式分別計(jì)算每個(gè)效驗(yàn)點(diǎn)上正反行程的子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差，通過(guò)多次重復(fù)測(cè)試，得出傳感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，通過(guò)表2中的數(shù)值計(jì)算得到傳感器的重復(fù)性誤差約為4.3%。

另外，在測(cè)量脈動(dòng)壓力過(guò)程中，傳感器的工作環(huán)境溫度存在變化，通過(guò)改變環(huán)境溫度，測(cè)量傳感器耐熱性及參數(shù)變化，通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)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(guān)系。環(huán)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(shí)際測(cè)試中需要考慮溫度的影響。

3 結(jié)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(yàn)及數(shù)據(jù)分析可知，PVDF薄膜傳感器可滿足測(cè)量脈動(dòng)壓力需求，PVDF壓電薄膜傳感器特點(diǎn)總結(jié)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(cè)點(diǎn)的布置。

（2）頻率響應(yīng)較高，適合高速壓力脈動(dòng)測(cè)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(cè)試的精度。

（4）PVDF壓電薄膜具有低的遲滯性，高的重復(fù)性。

（5）傳感器靈敏度受溫度的影響較大，在實(shí)際測(cè)試中需要考慮溫度的影響。

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