沈 峰 鄭 航

(1.安徽科技學院計算機科學與技術(shù)系, 安徽 鳳陽 233100；2.中國科學技術(shù)大學近代力學系, 合肥 230027)

聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,簡稱PVDF)是一種新型的高分子聚合物型壓電材料。PVDF壓電薄膜具有體積小、耐化學腐蝕、介電強度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，由其制成的元器件已在沖擊動力學、機器人科學、智能交通和電子學等領(lǐng)域得到廣泛應用[2-4]。上世紀八十年代中期在沖擊動力學領(lǐng)域，已利用PVDF壓電薄膜進行動態(tài)壓力測試。PVDF壓電薄膜制作傳感器的研究可見于多種試驗裝置[5-6]，如SHPB(分離式Hopkinson壓桿)中的壓力測量、輕氣炮中平板撞擊、爆炸近區(qū)超壓測量、平面撞擊下產(chǎn)生的平面沖擊波導致的縱向和橫向應力的測量、X射線誘導的沖擊壓力測量、火炮彈底總壓力測量等。

本文對自制的PVDF壓力傳感器利用霍普金斯壓桿進行標定。由于標定實驗得到的PVDF信號存在零點漂移，不能直接積分得到理想的轉(zhuǎn)移電荷信號，提出利用LabView設(shè)計對PVDF電流信號進行處理實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，該算法可快速地消除零點漂移對積分的影響。

1 PVDF壓力傳感器原理

1.1 壓電方程

壓電材料受到力和電場作用時，壓電方程為[7]：

(1)

式中：d— 壓電應力常數(shù)矩陣；σ— 應力，N；E— 電場強度，NC；εσ— 介點常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣；m，n可取1～3，j取1～6。

當使用PVDF薄膜制作壓力傳感器時，主要考慮3個方向主應力(以壓為正)所產(chǎn)生的單位面電荷密度D，于是壓電方程可簡化為：

D=d31σ1+d31σ2+d33σ3

(2)

在實際使用中，由于PVDF壓力傳感器厚度、方向和尺寸遠小于其他兩個方向，傳感器處于簡單的受力狀態(tài)，便于使用。

1.2 測量模式

PVDF壓電薄膜可以等效成一個電容器，有兩種不同的測試方式[9]：電荷模式(圖1(a))和電流模式(圖1(b))。在前一種模式下傳感器經(jīng)過電荷放大器，可以直接輸出到示波器，測量與壓力成比例的電壓，直接得到壓力隨時間變化的關(guān)系，該方法通常受到電荷放大器頻響的限制，測量頻響在200 kHz以下。電流模式中，一個電阻器橫跨傳感器進行放電，電路中的電流反映該時刻電荷對時間導數(shù)的大小，測量電阻R兩端的電壓，并對其進行時間積分得到電荷量。本文采用的測量模式為電流模式。

圖1 PVDF測量模式示意圖

由于PVDF自身的阻抗很大(可以達到1013Ω)，因此在PVDF與示波器之間并接一電阻R。采用電流模式可將高阻信號源(PVDF)轉(zhuǎn)化為低阻信號源，便于與電路阻抗匹配，同時保持了高頻響應特性。

在電流模式回路中瞬時電壓、電流和電荷的關(guān)系為:

(3)

式中：C— PVDF傳感器的電容與測量電路中電纜的電容之和，約為10-10F，遠小于U(t)R，可忽略。

則PVDF傳感器釋放的電荷為Q(t):

(4)

1.3 傳感器介紹

PVDF壓電薄膜的厚度小，質(zhì)地脆弱，使用時直接粘貼在試件表面則易壞。因此，需采取有效的封裝措施進行保護；同時由于PVDF薄膜表面的導電鍍層很薄，需設(shè)計一種電極導出產(chǎn)生的電荷。所設(shè)計的電極由基底(聚酯)和金屬鍍層(鏮銅)組成，基底厚度為25 μm，金屬鍍層厚為5 μm，具有很好的柔韌性，耐腐蝕。

PVDF壓力傳感器的制作工藝已申請專利，制作的PVDF應力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由電極、PVDF壓電薄膜、絕緣膠層和引線構(gòu)成，其中電極不僅起保護和定型作用，還是信號的傳輸載體；PVDF薄膜為感知元件，引線作為信號傳輸?shù)妮d體，制成的傳感器總厚度約為90 μm，長47 mm，寬16 mm。

1、5 — 上、下層聚酯膜；2 — 上、下電極；3 — PVDF元件；4 — 絕緣層

圖2 PVDF結(jié)構(gòu)示意圖

2 標定實驗

研究表明，在高應變率下的材料力學性能的試驗中，霍普金斯(Hopkinson)壓桿是一種簡便易行的試驗技術(shù)。因此，對PVDF應力傳感器進行標定通常使用分離式Hopkinson壓桿技術(shù)。 本文使用自制的分離式霍普金斯壓桿對PVDF應力傳感器進行標定，標定所使用的PVDF傳感器有效直徑4 mm(面積12.56 mm2)，桿直徑12 mm，子彈長度220 mm，入射鋼桿長度2 000 mm，透射鋼桿長度1 500 mm。在SHPB上進行的標定試驗裝置如圖3所示，入射桿和透射桿分別貼有應變片，所采集的應變信號和PVDF壓力信號同時由示波器記錄。實驗共進行5次。

圖3 SHPB標定試驗裝置圖

霍普金斯壓桿動態(tài)標定方法基于一維應力波理論，通過應變片測量輸出桿上某點的應變，求得壓縮波的峰值應力大小。通過對PVDF壓力傳感器輸出電流進行積分得到轉(zhuǎn)移電荷量，根據(jù)定標關(guān)系可得:

σ(t)=Q(t)AK

(5)

式中：K— PVDF壓電薄膜的靈敏度系數(shù)；A— 受壓力的有效面積。

對于標定實驗，可由式(6)確定K值：

K(σ)=QAσ

(6)

式中：σ— 是壓力脈沖的峰值平臺應力，N；Q— 相應的轉(zhuǎn)移電荷，C。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 LabView介紹

美國NI公司開發(fā)的軟件LabView(基于虛擬儀器概念設(shè)計)是一種真正意義上的圖形化編程語言，以其界面友好、開發(fā)周期短、擁有豐富的數(shù)據(jù)采集、分析庫函數(shù)，被公認為是標準的數(shù)據(jù)采集處理和儀器控制軟件。LabView類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabView與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabView使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

3.2 信號處理算法設(shè)計

標定實驗得到的典型標定信號如圖4所示，實驗得到的PVDF信號由于存在零漂，不能直接積分得到理想的轉(zhuǎn)移電荷信號。

圖4 典型標定實驗信號

PVDF信號處理流程圖如圖5所示。

圖5 PVDF信號處理流程

完成圖5功能的LabView框圖程序如圖6所示。通過載入文件的形狀直接可以得到信號處理完畢后PVDF壓力傳感器的轉(zhuǎn)換電荷時程曲線，如圖7所示。通過原始波形與積分處理結(jié)果的比較，說明圖6所示信號處理算法可有效的消除零漂對積分的影響。

圖7 PVDF的積分結(jié)果比較

需要說明的是在算法中數(shù)據(jù)點共有10 000個，由于LabView讀入波形文件后得到數(shù)組形狀的數(shù)據(jù)格式，而濾波輸入的數(shù)據(jù)格式為波形，因此要將單列的電流信息通過引入時間標度轉(zhuǎn)換為波形格式。

圖8給出了LabView輸出的轉(zhuǎn)移電荷曲線和應變片信號，說明LabView處理結(jié)果比較滿意。

用電腦運行算法程序處理數(shù)據(jù)的結(jié)果見表1，波形數(shù)據(jù)長度為10 000，通過LabView的性能分析模塊得到程序以及調(diào)用子程序完成一次數(shù)據(jù)處理的耗時分布。完成數(shù)據(jù)處理總的耗時為1.125 s，相對較快。

圖8 PVDF積分得到的轉(zhuǎn)移電荷信號圖和應變片信號圖

表1 完成一個數(shù)據(jù)處理耗時分布情況 ms

3.3 標定結(jié)果分析

標定實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2。其中轉(zhuǎn)移電荷由LabView積分得到，峰值應力由應變片信號分析后得到，利用式(6)得到靈敏度系數(shù)K。

表2 標定實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

通過與文獻中PVDF標定實驗[9]結(jié)果進行比較(圖9)，發(fā)現(xiàn)本文的標定結(jié)果與之相近，說明PVDF壓力傳感器的穩(wěn)定性較好。

圖9 標定結(jié)果與文獻[9]結(jié)果的比較

4 結(jié) 語

本文針對自制的PVDF壓力傳感器，使用分離式霍普金斯壓桿對它進行標定。在標定實驗中得到的PVDF信號由于存在零漂，不能直接積分得到理想的轉(zhuǎn)移電荷信號。為方便PVDF信號的處理，需要對PVDF信號進行消除零漂的處理，通過利用LabView設(shè)計的信號處理算法可以有效的消除零漂對積分的影響。通過與相關(guān)文獻中PVDF標定實驗結(jié)果進行比較，本文的標定結(jié)果與其相近，說明PVDF壓力傳感器的穩(wěn)定性較好；另一方面也說明該算法可有效快速的消除零漂對積分的影響，該算法可用于類似信號的處理。本文自制PVDF壓力傳感器已申請專利，實際應用效果達到設(shè)計目標。

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