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        基于聚偏氟乙烯壓電薄膜的幾種物理因素識別

        2014-10-21 12:55:13林埔安李小龍江子涵
        電子世界 2014年23期
        關鍵詞:傳感器

        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壓電薄膜可應用到單傳感器多種物理因素識別領域。

        【關鍵詞】PVDF壓電薄膜;傳感器;多物理因素

        1.引言

        聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)是半晶質有機聚合體,此聚合體由重復的CF2-CF2長鏈分子組成,經(jīng)過一定化學工藝處理使得PVDF薄膜具有壓電性、熱釋電性。PVDF可輸出較大的電壓值,薄膜質量輕、韌揉、變形強度高、頻率響應很寬。應用PVDF制作的傳感器種類甚多,與微電子技術相結合,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量傳感的研究熱點,如用于結構健康監(jiān)測智能結構與系統(tǒng)、各種力學傳感器。在應用過程中,PVDF作為傳感器幾乎都是應用于單物理因素作用。而在本文中進行了PVDF壓電薄膜在溫度、風速、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上,經(jīng)過對波形的分析處理后,對實驗結果沒有影響。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、封閉。以下給出PVDF壓電薄膜在不同因素下的信號反應。

        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℃(當溫度超過80℃,壓電薄膜就會到達它的居里溫度,使它內部的晶體結構發(fā)生變化,從而導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,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 風速

        用風扇模擬自然條件下的風。測試了風速為0.5m/s~8m/s十六組強度風速下的信號變化,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的細沙和粉沙,使其具有2m/s的速度,用帶篩孔的容器內裝有沙塵吹打在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種因素強度,每種因素強度下測試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)境噪音標準查詢,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)結果顯示,對于頻率在約1.1×103Hz以上和約75Hz以下時,PVDF反應不大。下面給出1×102~1×103Hz下85dB、87dB、89dB、90dB、91dB、92dB影響下的波形反應(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度進行測試的。根據(jù)結果顯示,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,溫度因素的頻率遠低于其它因素,隨溫度增加傳感電壓確與其它因素相當,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度進行一個閾值劃分,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)境風速大于5m/s(閾值)被認為有害,從圖3看出,這時風速因素的頻率與噪音頻率段沒有交疊,也因此很容易將風速區(qū)分出來。而當噪音超過90dB被認為有害,即使頻率處于風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大于風速,因此也能區(qū)分出噪音。

        在處理噪音、風速、沙塵條件,噪音、風速、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。將其信號進行對比,相同即是噪音、風,不同則是沙塵。

        4.結論

        設置一系列的實驗,測試在5種物理因素不同強度作用下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。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。

        參考文獻

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        [5]王術新,李以哲.傳感器的設計及在振動測量中的應用[J].壓電與聲光,2004,26(5):376-374.

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