劉秋楠 白 燕 徐國梁 巴曉蕾 尹 偉 王志成

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076)

1 引 言

結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)在航天飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用。試驗(yàn)中除了測量在不同載荷情況下試驗(yàn)件的應(yīng)變和位移，還要對結(jié)構(gòu)所承受的載荷進(jìn)行測量。載荷的測量可靠性和準(zhǔn)確性對整個靜力試驗(yàn)質(zhì)量有重大影響。對于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、體積大小非常規(guī)的試驗(yàn)件，既難以進(jìn)行理論計(jì)算分析，又不能滿足已具備的試驗(yàn)條件，而現(xiàn)階段測量試驗(yàn)件承受的載荷大小的方式還存在些問題，尚不能令人滿意。正是這些問題，促使了基于PVDF壓電薄膜傳感器的靜力試驗(yàn)系統(tǒng)的誕生。如何設(shè)計(jì)一種低成本、施工維護(hù)簡單的靜力試驗(yàn)系統(tǒng)，就成為人們追求的目標(biāo)，基于PVDF壓電薄膜傳感器的靜力試驗(yàn)系統(tǒng)就是在這方面做出的一個有意義的嘗試。

PVDF壓電薄膜具有靈敏度高、測量范圍大、頻率范圍寬、溫度穩(wěn)定性好、質(zhì)地柔軟、韌度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，使其成為廣泛推廣的一利新型智能傳感器。在國外己經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化階段，利用PVDF薄膜制作的壓力傳感器己經(jīng)商品化，廣泛應(yīng)用于各種壓力測試試驗(yàn)。PVDF壓電薄膜制作的傳感器可見于多種試驗(yàn)裝置上的應(yīng)用，相關(guān)的試驗(yàn)如彈底發(fā)射裝藥擠壓[1]中的壓力測量、醫(yī)療方面在牙咬力[2]上的測量、金屬結(jié)構(gòu)焊縫裂紋檢測方法研究[3]、在激光推進(jìn)實(shí)驗(yàn)中的測量[4]等，這些方面都取得了良好的效果。

本文從分析PVDF壓電薄膜測量原理入手，提出了一個基于PVDF壓電薄膜的靜力試驗(yàn)系統(tǒng)整體搭建方案，在該方案的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)并實(shí)施了基于PVDF壓電薄膜傳感器的標(biāo)定試驗(yàn)以及試件加持試驗(yàn)，并得到了有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)整個系統(tǒng)的靈活運(yùn)用打下了基礎(chǔ)。

2 PVDF壓電薄膜的測力方法

載荷測量就是對力的測量，試驗(yàn)中通過載荷傳感器將載荷轉(zhuǎn)換成電量信號，將信號接入測量設(shè)備，測出相應(yīng)的載荷?？梢娸d荷傳感器是關(guān)鍵器件，這類傳感器有應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、壓磁式、壓阻式等[5]。其中電阻應(yīng)變式傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，用得較廣。但是電阻應(yīng)變式傳感器不能在外界環(huán)境變化較大的地方使用。近年來一種叫做聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜傳感器的發(fā)展為試驗(yàn)的靈活性與低成本性提供了條件。極化的PVDF薄膜受壓時會產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，電荷轉(zhuǎn)移量和接觸壓力成正比。

2.1 PVDF壓電薄膜工作原理

壓電薄膜的輸出電荷與外力關(guān)系如公式(1)、公式(2)所示。

qi=bijfj

(1)

Qi=bijFj

(2)

式中:qi——單位面積輸出的電荷;bij——壓電(應(yīng)變)常數(shù)；fj——所受的應(yīng)力;Qi——薄膜總輸出電荷;Fj——總外力。

用于傳感器的FVDF薄膜上下表面均鍍有電極，因而相當(dāng)于一個電容器，其電容量Cs按公式(3)計(jì)算。

(3)

兩端電壓U按公式(4)計(jì)算。

(4)

式中：θ——介電常數(shù);A——薄膜面積;h——薄膜厚度;q——電容兩端電荷。

綜上,壓電薄膜兩端輸出電壓與其所受壓力關(guān)系如公式(5)所示。

(5)

PVDF薄膜用于傳感器時，壓電信號必須通過電極引線才能輸出，并且部分電極必須承受和壓電薄膜相同的壓力環(huán)境?，F(xiàn)有壓電傳感器的電極引線有兩種方式：一種是對壓電薄膜局部極化，在非極化的區(qū)域電鍍出引線；另一種是在電極上用粘結(jié)或者焊接方法直接引線，但是這種方式不是很常用。本文主要采用的是第一種方式。

2.2 基于PVDF壓電薄膜傳感器的靜力試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

PVDF壓電薄膜作為傳感元件可以看作是電荷發(fā)生器，其輸出的電學(xué)模型可以等效為電荷源，輸出的信號接入電荷放大器中。另外，將PVDF壓電薄膜傳感器配合電荷放大電路使用時，低頻響應(yīng)比配用電壓放大器要好得多，可以實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)靜態(tài)的物理量進(jìn)行測量[8]。最終搭建的靜力試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System diagram

3 基于PVDF壓電薄膜的靜力試驗(yàn)研究

3.1 PVDF壓電薄膜傳感器的標(biāo)定

PVDF壓電薄膜傳感器在國內(nèi)的應(yīng)用主要分兩類，一類是直接采用國外成熟的技術(shù)，進(jìn)口PVDF壓力傳感器及其測試手段，在實(shí)際工作中按所引進(jìn)的傳感器使用規(guī)范進(jìn)行應(yīng)用。另一類是通過國產(chǎn)的PVDF薄膜制作壓力傳感器，這一類制作的傳感器沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以在采用PVDF壓電薄膜作為傳感器的時候，事先要對其進(jìn)行標(biāo)定。

本文利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)了一種標(biāo)定方法。將PVDF壓電薄膜傳感器平均分布在圓形鋼框的內(nèi)部，利用壓力氣囊將傳感器完全貼合到鋼框上，通過增加大氣壓的方式，來測量傳感器的輸出電壓。考慮到PVDF壓電薄膜傳感器的電容很小，在靜態(tài)外力作用下所產(chǎn)生的電荷會很快失去，因此，為了準(zhǔn)確測出PVDF壓電薄膜傳感器在靜態(tài)力作用下的輸出電壓，采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集的方法，取最高的輸出電壓，對數(shù)據(jù)擬和得到載荷一電壓曲線，也可根據(jù)應(yīng)用需要得到載荷一電壓的關(guān)系系數(shù)，完成標(biāo)定。此種方法標(biāo)定的傳感器不需要測量連續(xù)變化的動態(tài)信號，適合在靜力試驗(yàn)中使用。

PVDF標(biāo)定系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 PVDF標(biāo)定系統(tǒng)示意圖Fig.2 PVDF calibration system schematic diagram

該系統(tǒng)采用的PVDF傳感器中的壓電元件長度為12英寸(約300mm)，厚度為28μm，其上絲印銀漿電極，薄膜被層壓在0.125mm聚酯基片上，電極由兩個壓接端子引出，具體如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)用PVDF壓電薄膜傳感器Fig.3 PVDF piezoelectric film sensor in the test

利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備DEWETRON，標(biāo)定傳感器，標(biāo)定得到的載荷與電壓的數(shù)據(jù)如表1所示。表中的數(shù)據(jù)為壓力從100kPa增至1000kPa時，對應(yīng)采集系統(tǒng)測量得到的傳感器輸出電壓值。

表1 載荷-電壓數(shù)據(jù)標(biāo)定結(jié)果Tab.1 Load-voltage data calibration result

對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖4所示。從圖中可以看出該P(yáng)VDF壓電薄膜傳感器的線性度良好，線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.997。采用文獻(xiàn)[9]中的方法計(jì)算得到該傳感器的靈敏度為689.08kPa/V，不確定度為16.6kPa/V。

圖4 載荷-電壓擬合曲線圖Fig.4 Load-voltage fitting picture

3.2 試驗(yàn)件加持試驗(yàn)應(yīng)用

大型圓柱體在長期擺放和運(yùn)輸?shù)倪^程中，會發(fā)生滾動和傾斜的危險(xiǎn)，為了防止危險(xiǎn)的發(fā)生會加裝固定試驗(yàn)件的裝置，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個大型圓柱體的加持試驗(yàn)。具體情況如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)件裝配剖面圖Fig.5 Cross-sectionTest pieces of assembly

固定裝置由于材料本身的原因，無法完全貼近試驗(yàn)件，從圖5上可以明顯看出，在固定裝置處，需要一側(cè)擰緊四個螺栓如圖6，另一側(cè)在相對應(yīng)的位置上擰緊螺栓，才能將試驗(yàn)件完全固定牢靠。試驗(yàn)時將PVDF壓電薄膜傳感器安裝在螺栓與試驗(yàn)件之間，用力矩扳手?jǐn)Q緊螺栓，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備測量加持裝置各個點(diǎn)的受力情況。該裝置有助于該類型的試驗(yàn)件在運(yùn)輸過程中不會滑落與碰撞損壞。

圖6 加持裝置細(xì)節(jié)圖Fig.6 Detailed drawing of blessing dexice

表2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前標(biāo)定了試驗(yàn)所用的PVDF壓電薄膜傳感器，得到一組載荷-電壓系數(shù)，試驗(yàn)時通過測量設(shè)備，將測量的電壓轉(zhuǎn)化為載荷。試驗(yàn)中利用力矩扳手在加持裝置的2象限分別加5N·m、10N·m、12N·m、14N·m、15N·m的力矩，而4象限不加力的情況下，得到傳感器相應(yīng)位置的載荷值。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種用于測量壓力載荷的基于PVDF壓電薄膜傳感器的靜力試驗(yàn)系統(tǒng)的測量方法,與之前用相對體積較大的傳感器測量壓力的方法相比，這種方法具有易操作，易安裝，適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明測量的載荷大小能準(zhǔn)確的反映出試驗(yàn)件的受力狀態(tài)。