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、對高頻激勵實(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，通過對傳感器測試發(fā)現(xiàn)，在測量壓力范圍內(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，并且溫度對傳感器的靈敏度影響較大，實(shí)際測試時需考慮溫度的影響，激勵測試表明PVDF壓電薄膜傳感器滿足測量脈動壓力的需求。

關(guān)鍵詞：脈動壓力;PVDF壓電薄膜;動靜干涉;傳感器

中圖分類號：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量脈動壓力，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題，嚴(yán)重影響測量精度，并且焊接測點(diǎn)受空間所限，經(jīng)常不能滿足測點(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，做成傳感器對被測量的結(jié)構(gòu)影響小;柔性好，適合曲面的測量固定;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，特別對高頻激勵激勵實(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，通過測量傳感器相關(guān)參數(shù)，研究用其測量脈動壓力的可行性。

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，薄膜當(dāng)受到外力作用時，表面會產(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，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。電極信號引出后經(jīng)過電荷放大，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)測量

脈動壓力測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壓力的測試需求。

2.1 靈敏度測量

通過揚(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)測得的輸入聲壓與PVDF壓電薄膜傳感器系統(tǒng)測得的電壓值見表1，通過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

脈動壓力測量需要比較寬的頻率響應(yīng)范圍，通過加載測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，在所測頻率范圍內(nèi)響應(yīng)無明顯下降，滿足測試要求。

2.3 遲滯性誤差

遲滯性誤差表示為傳感器在測量壓力范圍內(nèi)，各校測點(diǎn)的正程與反程輸出示值最大偏差絕對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。通過測試測量的正、反行程的平均值見表2，通過公式（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得到的多個特性曲線不一致程度。采用貝塞爾公式分別計(jì)算每個效驗(yàn)點(diǎn)上正反行程的子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差，通過多次重復(fù)測試，得出傳感器在整個測量范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，通過表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，在測量脈動壓力過程中，傳感器的工作環(huán)境溫度存在變化，通過改變環(huán)境溫度，測量傳感器耐熱性及參數(shù)變化，通過測量發(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量脈動壓力需求，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，便于測點(diǎn)的布置。

（2）頻率響應(yīng)較高，適合高速壓力脈動測量。

（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)際測試中需要考慮溫度的影響。

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