PVDF壓電傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定及應(yīng)用研究

楊玉順，祁 樂(lè)，張春雷，武精科，韋四江

(1.淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001； 2.河南能源集團(tuán)有限公司 鶴煤公司三礦，河南 鶴壁 458000； 3.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

低頻強(qiáng)動(dòng)力擾動(dòng)是沖擊地壓巷道圍巖變形破壞的力源之一，是決定煤礦能否安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。而沖擊地壓所引起的低頻強(qiáng)動(dòng)力擾動(dòng)能夠使巷道出現(xiàn)變形破壞，影響巷道的正常生產(chǎn)使用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致人員傷亡事故[2-6]。而如何監(jiān)測(cè)動(dòng)力擾動(dòng)下巷道周邊動(dòng)態(tài)應(yīng)力，PVDF壓電薄膜具有很獨(dú)特的熱電效應(yīng)和壓電效應(yīng)，且具有較高的柔韌性、質(zhì)量輕、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，在越來(lái)越多的領(lǐng)域受到人們的廣泛關(guān)注[7]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者席道瑛等[8]首次用SHPB測(cè)試裝置對(duì)聚偏氟乙烯PVDF應(yīng)力計(jì)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變常數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。任新見等[9]采用SHPB裝置對(duì)自制傳感器進(jìn)行標(biāo)定，并用TNT化爆試驗(yàn)對(duì)其測(cè)試效果進(jìn)行比較。張艷芳等[10]提出一種PVDF壓電薄膜的觸覺(jué)傳感器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維力測(cè)量。而在監(jiān)測(cè)動(dòng)力擾動(dòng)下巷道圍巖變形破壞特征，數(shù)值模擬方法已被廣泛應(yīng)用于工程中基于靜態(tài)計(jì)算的應(yīng)變巖爆中[11-12]。相似模擬實(shí)驗(yàn)更能直觀地反映表象的物理現(xiàn)象，并給出較明確的結(jié)論，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了沖擊地壓方面的相似模擬研究[13-14]，大多局限于對(duì)試件的沖擊特性研究，而對(duì)地下巷硐發(fā)生沖擊地壓的動(dòng)力現(xiàn)象研究較少。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研究制作了一種PVDF傳感器外殼并對(duì)其進(jìn)行封裝，將封裝過(guò)的PVDF傳感器埋入砂蠟材料中，使用重物對(duì)其進(jìn)行沖擊，完成PVDF傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。并以千秋礦21141工作面為工程背景，采用相似模擬方法研究動(dòng)力擾動(dòng)作用下巷道圍巖破壞規(guī)律，以期研究成果為工作面安全高效生產(chǎn)提供借鑒。

1 傳感器封裝設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)標(biāo)定

1.1 傳感器封裝設(shè)計(jì)

PVDF傳感器外殼封裝主要由外殼、上下板、PVDF壓電薄膜、上密封蓋組成。采用PVDF壓電薄膜，膜厚30 μm，直徑20 mm。壓電薄膜置于外殼中間，上下板放置在PVDF壓電薄膜兩側(cè)，作為保護(hù)板，在放置PVDF壓力傳感器處對(duì)應(yīng)外殼位置開設(shè)一圓弧形槽供其電線出口。為保證上下板受到外力直接作用在壓電薄膜有效面積上，上下板直徑略小于壓電薄膜直徑，為19 mm。為保證制造精度，PVDF壓電薄膜外殼各部件均采用不銹鋼材料加工成型，外殼、上下板、PVDF壓電薄膜、上密封蓋之間用環(huán)氧樹脂膠填充，保證絕緣、防水和有一定的機(jī)械強(qiáng)度。在封裝PVDF傳感器時(shí)，需施加一定的軸向預(yù)緊力，以保證PVDF傳感器與各組件安裝密實(shí)(圖1)。

圖1 PVDF傳感器示意Fig.1 Schematic diagram of PVDF sensor

1.2 PVDF壓電薄膜傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定

使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器對(duì)PVDF傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，制作砂蠟比100∶6的試塊，將兩種傳感器埋入試塊中，使用質(zhì)量3.6 kg的重物在某一高度(50 cm)處自由下落對(duì)試塊進(jìn)行沖擊，重物沖擊時(shí)采用木板夾住試塊，用一根繩子固定重物，并使重物水平面與試塊上表面平行，每次沖擊前將重物提至同一高度，將繩子剪斷，使其自由下落沖擊試塊，監(jiān)測(cè)2種傳感器的動(dòng)態(tài)壓力。

1.2.1 標(biāo)定步驟及方法

本次共設(shè)計(jì)封裝10個(gè)PVDF傳感器，且10個(gè)PVDF傳感器均需進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定(圖2)。

圖2 PVDF傳感器標(biāo)定試驗(yàn)Fig.2 Calibration test diagram of PVDF sensor

(1)將PVDF壓力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器埋入砂蠟比100∶6的材料中，制作成邊長(zhǎng)15 cm的立方體試塊，本次試驗(yàn)共制作4個(gè)試塊，將6號(hào)PVDF傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器埋入第1個(gè)試塊中，將3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)埋入第2個(gè)試塊中，將7號(hào)、8號(hào)和9號(hào)埋入第3個(gè)試塊中，將1號(hào)、2號(hào)和10號(hào)埋入第4個(gè)試塊中，試塊如圖2(a)所示。

(2)將PVDF壓力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器連接電荷放大器，通過(guò)WS-5921/N60216-C16動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，采集系統(tǒng)如圖2(b)所示。

(3)使用質(zhì)量3.6 kg的重物在距試塊同一高度處自由下落，下落高度取50 cm，即重物下落沖擊試塊瞬時(shí)速度為3.13 m/s。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)重物在同一高度自由下落沖擊試塊的作用力。

(4)每組試塊分別進(jìn)行5次沖擊試驗(yàn)，得到5次沖擊試驗(yàn)后兩信號(hào)的動(dòng)態(tài)壓力曲線，計(jì)算同一高度重物自由下落沖擊試塊后標(biāo)準(zhǔn)傳感器動(dòng)態(tài)壓力的平均值Fb和PVDF傳感器動(dòng)態(tài)壓力的平均值Fp。由于在使用WS-2401型多通道電荷放大器時(shí)需要給定一個(gè)標(biāo)定系數(shù)，當(dāng)壓電薄膜力傳感器電荷靈敏度Sq在10～100 pC/N時(shí)，適調(diào)開關(guān)對(duì)應(yīng)調(diào)到100～1 000，如Sq=37.1 pC/N，則適調(diào)開關(guān)置371；當(dāng)Sq不在10～100 pC/N時(shí)，測(cè)量結(jié)果需要校正，如傳感器Sq=3.71 pC/N，此時(shí)適調(diào)開關(guān)置371，但測(cè)量結(jié)果必須做乘10校正；如傳感器Sq=371 pC/N，此時(shí)適調(diào)開關(guān)置371，但測(cè)量結(jié)果必須做除10校正。擬取以上轉(zhuǎn)換原則，PVDF傳感器出廠時(shí)的靜態(tài)標(biāo)定系數(shù)21 pC/N，通過(guò)上述原則即可求出PVDF的動(dòng)態(tài)靈敏度系數(shù)為21Fb/Fp。

1.2.2 結(jié)果分析

重物在距試塊高度50 cm處自由下落沖擊試塊后標(biāo)準(zhǔn)傳感器和6號(hào)PVDF傳感器測(cè)得的動(dòng)態(tài)壓力如圖3所示。重物自由下落沖擊試塊瞬間，2種傳感器曲線迅速上升，然后曲線又迅速下降。標(biāo)準(zhǔn)傳感器曲線相比于經(jīng)過(guò)外殼封裝后的PVDF傳感器曲線較光滑，且2種傳感器的上升段和下降段所經(jīng)歷時(shí)間約為100 ms。

圖3 2種傳感器動(dòng)態(tài)壓力曲線Fig.3 Dynamic pressure curve of two kinds of sensors

在高度50 cm位置處進(jìn)行多次沖擊后2種傳感器的動(dòng)態(tài)壓力峰值見表1。

表1 兩種傳感器動(dòng)態(tài)壓力峰值Tab.1 Dynamic stress peak of two kinds of sensor′s

在同一位置處對(duì)試塊進(jìn)行自由落體沖擊試驗(yàn)，測(cè)得每次沖擊試塊后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄兩種傳感器的動(dòng)態(tài)壓力各不相同，為盡量消除試驗(yàn)過(guò)程中重物在自由下落沖擊試塊時(shí)未能與試塊充分接觸等因素所引起的誤差，須進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值，通過(guò)上述換算方法得出6號(hào)PVDF傳感器的電荷靈敏度系數(shù)為42.6 pC/N。

采用相同方法使用重物在距試塊高度50 cm情況下對(duì)其他試塊進(jìn)行自由落體沖擊試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算得出各PVDF傳感器的電荷靈敏度系數(shù)見表2。

2 相似模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 工程背景

千秋礦現(xiàn)開采的21采區(qū)21141綜放工作面平均采深684 m，21141工作面位于2-1煤與2-3煤合并區(qū)，統(tǒng)稱二煤。該工作面運(yùn)輸巷為沿煤層底板掘進(jìn)的全煤巷道，巷道為寬5 m、高4 m的直墻半圓拱巷道。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含矸4～7層，二煤直接頂為約20 m厚的砂質(zhì)泥巖，其上為巨厚層堅(jiān)硬礫巖，距煤層約210 m，厚度約410 m，而在煤層與巨厚礫巖之間各巖層層厚較薄，整體性較差。巷道布置不合理或形成孤島工作面采煤時(shí)，巖體內(nèi)應(yīng)力高度集中，應(yīng)力集中程度約為原巖應(yīng)力的3倍，且正在開采的21141工作面和下一步開采的21161工作面處于高垂直應(yīng)力區(qū)。采用相似模擬實(shí)驗(yàn)方法模擬給定應(yīng)力環(huán)境下在距巷道不同位置處施加動(dòng)力擾動(dòng)后動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化規(guī)律。

表2 各PVDF傳感器的電荷靈敏度系數(shù)Tab.2 Charger sensitivity coefficient of each PVDF sensor

2.2 相似條件和相似材料

原型與模型的比例方面，幾何相似比αL=25，容重相似比αγ=1.58，應(yīng)力相似比ασ=39.5。相似材料選用細(xì)砂作為主料，石膏和水泥作為膠結(jié)料的配比方案，相似模型材料配比見表3。

表3 相似材料鋪設(shè)方案Tab.3 Project similar materials laying

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒓皽y(cè)量方式

實(shí)驗(yàn)利用YDM-E型采礦工程物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有主機(jī)、試件模具、模型運(yùn)輸車、液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5個(gè)部分組成。試驗(yàn)臺(tái)尺寸為1 600 mm×1 600 mm×400 mm，平面內(nèi)均壓范圍為1 300 mm，模型如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Test system

采用PVDF壓力傳感器監(jiān)測(cè)巷道圍巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化，埋設(shè)位置與巷道之間距離分別為5、10、15 cm，巷道頂?shù)装寮白髱透鞑贾?個(gè)，右?guī)筒贾?個(gè)。其中2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)動(dòng)態(tài)壓力傳感器布置在巷道頂板，5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)動(dòng)態(tài)壓力傳感器布置在巷道左幫，8號(hào)、9號(hào)和10號(hào)動(dòng)態(tài)壓力傳感器布置在巷道底板，動(dòng)態(tài)應(yīng)力采用WS-5921/N60216-C16數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，壓力傳感器及擾動(dòng)位置布置如圖5所示。

2.4 擾動(dòng)源

擾動(dòng)源采用人工震源模擬，選用6 g黑火藥作為實(shí)驗(yàn)用藥，將導(dǎo)火線穿入直徑0.5 cm的細(xì)管，并通過(guò)保鮮膜及透明膠帶將其黏結(jié)在一起進(jìn)行封裝，以確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的每次爆破順利完成，擾動(dòng)位置如圖5(b)所示。擾動(dòng)順序：左幫1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)，底板1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)，頂板1號(hào)、2號(hào)，分別距巷道50、35、20 cm。

圖5 傳感器及擾動(dòng)位置布置Fig.5 Sensor and disturbance location layout

3 結(jié)果分析

根據(jù)21141運(yùn)輸巷工程地質(zhì)條件，埋深684 m，則鉛直應(yīng)力17.94 MPa，側(cè)壓力系數(shù)取1.0，則側(cè)壓力為17.94 MPa。經(jīng)應(yīng)力相似比，換算到模型上的鉛直應(yīng)力為0.45 MPa，側(cè)應(yīng)力為0.45 MPa。模型施加應(yīng)力前模型前后用約束板進(jìn)行約束，巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)施加穩(wěn)定后，將約束板拆除，在巷道圍巖設(shè)計(jì)位置處打爆破孔，將制作好的擾動(dòng)源放入孔內(nèi)，進(jìn)行封孔，引爆導(dǎo)線，并記錄巷道圍巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力。巷道周邊施加動(dòng)力擾動(dòng)后，動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值見表4。

表4 動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值Tab.4 Peak of dynamic stress

由表4可知，巷道左幫施加擾動(dòng)后，隨著擾動(dòng)位置距巷道左幫靠近，巷道周邊動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值變化如下：頂板動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器2號(hào)、4號(hào)峰值均逐漸增大，分別增大約59.8%和14.2%；3號(hào)峰值先增大后減小，減小約2.6%。左幫動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)峰值均逐漸增大，分別增大約216.7%、278.3%、208.2%，其中6號(hào)峰值應(yīng)力增加最大。底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器8號(hào)、9號(hào)和10號(hào)峰值均逐漸增大，分別增大約42.9%、100.8%、62%。其中，9號(hào)峰值應(yīng)力增加最大。巷道底板施加擾動(dòng)后，隨著擾動(dòng)位置向巷道底板靠近，巷道周邊動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值變化如下：頂板動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)峰值均逐漸增大，分別增大約21.7%、30.8%和30.7%，其中3號(hào)峰值應(yīng)力增加最大。左幫動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)峰值均逐漸增大，分別增大約57.5%、12.96%和38.7%，其中5號(hào)峰值應(yīng)力增加最大。底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器8號(hào)、9號(hào)和10號(hào)峰值均逐漸增大，分別增大約744.2%、91%和34.1%，其中8號(hào)峰值應(yīng)力增加最大。巷道頂板施加擾動(dòng)后，隨著擾動(dòng)位置向巷道頂板靠近，巷道周邊動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值變化如下：頂板動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)峰值均逐漸增大，分別增大約23.3%、7%、16.7%，其中2號(hào)峰值應(yīng)力增大最大。左幫動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)峰值均逐漸增大，分別增大約11.1%、18.5%、21.6%，其中7號(hào)峰值應(yīng)力增大最大。底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)峰值均逐漸增大，分別增大約11.6%、37.1%、30.2%，其中9號(hào)峰值應(yīng)力增大最大。

綜上分析可知，巷道周邊施加動(dòng)力擾動(dòng)后，擾動(dòng)位置與巷道距離越近，巷道頂?shù)装寮白髱蛣?dòng)態(tài)應(yīng)力越大。在巷道左幫擾動(dòng)后，底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力大于左幫和頂板，且左幫和底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力增大速度相當(dāng)，頂板最小；在巷道底板擾動(dòng)后，底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力大于左幫和頂板，且頂板和左幫動(dòng)態(tài)應(yīng)力增大速度相當(dāng)，底板最大；在巷道頂板擾動(dòng)后，頂板動(dòng)態(tài)應(yīng)力大于底板和左幫，且頂板和底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力增大速度相當(dāng)，左幫最小。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)并制作了PVDF傳感器的外殼并對(duì)其進(jìn)行封裝，通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)傳感器和PVDF傳感器預(yù)埋砂蠟材料制作的試塊中，完成了PVDF傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定，得到其電荷靈敏度系數(shù)。并證明了PVDF傳感器測(cè)試動(dòng)態(tài)應(yīng)力的可靠性，以及PVDF傳感器作為預(yù)埋件直接測(cè)試技術(shù)的可行性。

(2)巷道周邊施加動(dòng)力擾動(dòng)后，擾動(dòng)位置與巷道距離越近，巷道頂?shù)装寮白髱蛣?dòng)態(tài)應(yīng)力越大。在巷道左幫擾動(dòng)后，底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力大于左幫和頂板，且左幫和底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力增大速度相當(dāng)，頂板最??；在巷道底板擾動(dòng)后，底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力大于左幫和頂板，且頂板和左幫動(dòng)態(tài)應(yīng)力增大速度相當(dāng)，底板最大；在巷道頂板擾動(dòng)后，頂板動(dòng)態(tài)應(yīng)力大于底板和左幫，且頂板和底板動(dòng)態(tài)應(yīng)力增大速度相當(dāng)，左幫最小。

(3)驗(yàn)證了PVDF傳感器測(cè)試動(dòng)態(tài)應(yīng)力的可靠性，以及PVDF傳感器作為預(yù)埋件直接測(cè)試技術(shù)的可行性。