范志強(qiáng)，常瀚林，何天明，鄭 航，胡敬坤，譚曉麗

（1.中北大學(xué)理學(xué)院，山西 太原 030051；2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西 西安 710072；3.中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230027）

單兵裝備的高度集成化、信息化和智能化可全方位拓展士兵的態(tài)勢(shì)感知和作戰(zhàn)適應(yīng)能力，為其生命安全提供綜合防護(hù)。士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上可能隨時(shí)處于爆炸沖擊波作用范圍內(nèi)，如大口徑火炮、反坦克火箭或?qū)棸l(fā)射環(huán)境中的士兵可能承受多次低強(qiáng)度沖擊波作用，多次的沖擊波超壓暴露可導(dǎo)致原發(fā)性爆炸損傷（primary blast injury，PBI）和創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（post-traumatic stress disorder，PTSD）等沖擊波傷[1-2]。相比于破片和爆轟產(chǎn)物的直接殺傷，沖擊波傷具有傷情隱匿性強(qiáng)、致傷機(jī)理復(fù)雜和作用范圍大等特點(diǎn)[3-5]。研究表明，士兵在沖擊波超壓環(huán)境中的多次暴露與其大腦組織挫傷、PTSD 風(fēng)險(xiǎn)增加、隨年齡增長(zhǎng)導(dǎo)致的神經(jīng)系統(tǒng)障礙病情加速和腦震蕩等癥狀均有較大關(guān)系[6-7]。士兵經(jīng)歷的沖擊波毀傷環(huán)境數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取和記錄，在戰(zhàn)時(shí)指揮和戰(zhàn)后康復(fù)診療方面都具有重要作用。如美軍裝備的一種無(wú)線便攜式?jīng)_擊波監(jiān)測(cè)裝置，可直接安裝在頭盔、肩帶和胸口位置，對(duì)沖擊波暴露歷史進(jìn)行記錄、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過(guò)指示燈對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)沖擊波環(huán)境進(jìn)行預(yù)警。隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)在穿戴式人員生理信息（如心率、血壓、血氧等）監(jiān)測(cè)的研究較為豐富[8]，但對(duì)隨體式?jīng)_擊波監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究仍然很少。傳統(tǒng)硬質(zhì)沖擊波壓力傳感器受限于體積、安裝、功耗等因素，并不適用于單兵裝備或人員體表的沖擊波直接監(jiān)測(cè)。以壓電薄膜為敏感元件的柔性傳感器具有較高的環(huán)境適應(yīng)性和低功耗等特點(diǎn)[9-10]，為穿戴式柔性沖擊波測(cè)量提供了關(guān)鍵思路。目前基于PVDF(polyvinylidene fluoride)傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)表面低強(qiáng)度空中爆炸沖擊波的研究較少，柴棟梁等[11]采用硬質(zhì)殼體封裝薄膜傳感器對(duì)激波管和外場(chǎng)爆炸產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行了驗(yàn)證性測(cè)量，但并未評(píng)估薄膜傳感器的測(cè)量穩(wěn)定性、靈敏度等性能。Wang 等[12]對(duì)陣列式PVDF 傳感器進(jìn)行了0.5～5 MPa范圍的空氣沖擊波壓力靈敏度標(biāo)定，并將其安裝于流固界面，對(duì)2.5～13.0 MPa 范圍的氣泡空化沖擊壓力進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)采用激光微加工技術(shù)控制表面電極和敏感區(qū)尺寸，以提高壓力計(jì)靈敏度的穩(wěn)定性。

然而，作用于人員體表的低強(qiáng)度沖擊波加載時(shí)間一般僅持續(xù)幾十微秒至幾毫秒、幅值僅幾百千帕，測(cè)量元件必須具有較高的頻響和力電轉(zhuǎn)換靈敏度。然而，即使采用柔順性較高的聚合物壓電材料（如聚偏氟乙烯，PVDF），其敏感元件也具有較高的彈性模量（2～3 GPa），傳統(tǒng)測(cè)量方式假設(shè)內(nèi)部元件為面外單向受壓狀態(tài)，即僅考慮d33方向壓電效應(yīng)的工作模式，測(cè)量低強(qiáng)度沖擊波時(shí)有效電壓/電荷輸出可能與噪聲同量級(jí)，測(cè)量信噪比低、穩(wěn)定性差。其次，PVDF 壓力計(jì)一般用于較高壓力（兆帕到吉帕）的測(cè)量，壓力測(cè)量對(duì)背部和周向約束條件的依賴(lài)性較強(qiáng)[13]，上述因素在低強(qiáng)度沖擊波測(cè)量時(shí)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的偏差。最后，高聚物材料力學(xué)響應(yīng)具有顯著的非線性特征和率相關(guān)性，在較低壓力范圍內(nèi)，PVDF 壓電薄膜的力電響應(yīng)非線性特征突出，難以直接應(yīng)用于低強(qiáng)度沖擊波的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文中首先針對(duì)傳統(tǒng)單一壓電工作模式的不同封裝形式的PVDF 壓力傳感器進(jìn)行沖擊波標(biāo)定，評(píng)估其對(duì)低強(qiáng)度沖擊波壓力測(cè)量的可靠性；然后基于微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一種具有復(fù)合壓電效應(yīng)的沖擊波測(cè)量元件構(gòu)型，采用柔性襯底對(duì)復(fù)合薄膜元件進(jìn)行邊界約束和基體結(jié)構(gòu)變形隔離，使柔性復(fù)合薄膜元件在面外沖擊波作用下產(chǎn)生復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和復(fù)合壓電效應(yīng)，顯著提高沖擊波測(cè)量靈敏度和穩(wěn)定性，為適用于穿戴式裝備表面沖擊波壓力的精確測(cè)量提供基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)薄膜壓力計(jì)沖擊波測(cè)量

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

首先選用目前廣泛應(yīng)用于精確壓力測(cè)量的商用PVDF 薄膜壓力傳感器，評(píng)估其對(duì)低強(qiáng)度沖擊波壓力的測(cè)量性能。傳感器分別選用錦州科信電子材料有限公司的JYC15 型和美國(guó)Dynasen 公司生產(chǎn)PVF2-11 型薄膜壓力傳感器，如圖1 所示。JYC15 為傳統(tǒng)夾芯式封裝，PVDF 敏感元件直徑15 mm、厚度28 μm，雙側(cè)采用透明絕緣膜封裝，直徑17 mm、總厚度270 μm，壓電膜靜態(tài)壓電系數(shù)d31=（17±1） pC/N，d32=（5±1） pC/N，d33= （-21±1） pC/N，封裝后傳感器標(biāo)稱(chēng)動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)為43.9 pC/N。PVF2-11 傳感器為局部極化式封裝，芯層為28 μm 厚的PVDF 層，極化區(qū)域3.18 mm×3.18 mm，雙側(cè)為環(huán)氧樹(shù)脂和聚酰亞胺薄膜封裝，總厚約87 μm，標(biāo)稱(chēng)壓力p（單位MPa）與電荷量密度q= Q/A 關(guān)系為：

式中：Q 為傳感器總體輸出電荷量，μC；A 為敏感元件面積，cm2。式（1）表明傳感器的力電響應(yīng)存在明顯的非線性特征，面外壓力與電荷量密度僅在有限壓力區(qū)間內(nèi)近似保持線性關(guān)系。另外，自制夾芯式壓力傳感器CPT 作為對(duì)照組，其芯層包括PVDF 壓電膜敏感元件（sensitive element，SE）和元件周?chē)慕^緣墊平芯層，雙側(cè)封裝層為外覆聚酰亞胺（polyimide，PI）薄膜的聚合物導(dǎo)電帶（conductive polymer tap，CPT），CPT 傳感器實(shí)物和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。PVDF 壓電薄膜采用錦州科信電子材料公司生產(chǎn)的53 μm厚的壓電膜，通過(guò)沖裁方式加工為直徑8.0 mm 的圓形敏感元件（SE），周?chē)^緣墊平芯層為厚50 μm 的聚酰亞胺薄膜，聚合物導(dǎo)電帶雙側(cè)均具有較強(qiáng)黏結(jié)性和導(dǎo)電性，厚約100 μm，與壓電膜元件和芯層壓合黏接，傳感器整體厚度約（290±5） μm，裁剪邊緣后傳感器外觀尺寸約18 mm×25 mm。

圖1 PVDF 薄膜壓力傳感器Fig.1 PVDF filmed pressure gauges

采用激波管對(duì)傳感器進(jìn)行沖擊波加載，為更好地模擬結(jié)構(gòu)表面沖擊波測(cè)量，將柔性傳感器安裝于激波管尾部盲板表面，如圖2 所示。同時(shí)在距離盲板約20 cm 處的激波管管壁安裝PCB113B24 型沖擊波壓力傳感器測(cè)量入射和反射沖擊波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)直接更換安裝有傳感器的盲板進(jìn)行不同柔性傳感器的標(biāo)定，以管壁上PCB 傳感器測(cè)量的反射沖擊波信號(hào)作為校準(zhǔn)壓力信號(hào)。通過(guò)調(diào)整高壓段和低壓段之間的Mylar 膜厚度，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的沖擊波，在0.2～0.75 MPa 壓力范圍內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行加載。

圖2 沖擊波測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental setup of shock wave measurement

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用激波管裝置在0.2～0.75 MPa 壓力范圍內(nèi)分別針對(duì)JYC15、PVF2-11 和自制CPT 等3 種形式的柔性傳感器進(jìn)行沖擊波測(cè)量及靈敏度系數(shù)K=q/p 的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，通過(guò)批量化標(biāo)定實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)傳感器輸出電荷量密度與壓力的關(guān)系以評(píng)估其力電響應(yīng)線性特征，另外，對(duì)比同批次傳感器在相同壓力作用下電荷量密度的離散性表征其個(gè)體差異性，綜合評(píng)估柔性傳感器的沖擊波測(cè)量性能。

1.2.1 JYC15

圖3 (a)、(b)分別為反射壓力pr= 0.23，0.53 MPa 下沖擊波加載下3 支JYC15 傳感器的典型測(cè)量結(jié)果，由于PCB 傳感器位于盲板前端200 mm 處，在PCB 傳感器測(cè)量的壓力曲線上能夠明顯分辨出入射和反射沖擊波，兩種加載工況下入射波和反射波上升沿時(shí)間分別約21～27、28～35 μs，計(jì)算可得沖擊波波速分別約380、415 m/s。柔性傳感器位于盲板表面，實(shí)測(cè)沖擊波曲線出現(xiàn)較為顯著的高頻震蕩，周期約450 μs，壓力上升至沖擊波壓力平臺(tái)段所需時(shí)間約2～4 ms，遠(yuǎn)高于PCB 傳感器入射和反射沖擊波上升沿之和，表明該傳感器由于封裝厚度和元件尺寸較大導(dǎo)致其測(cè)量頻響較低，無(wú)法準(zhǔn)確反映沖擊波陡峭壓力上升特征。分析認(rèn)為PVDF 壓電膜本身頻響較高，但JYC 的封裝厚度較大，導(dǎo)致沖擊波在層間的入反射效應(yīng)較強(qiáng)、應(yīng)力平衡過(guò)程緩慢，其壓力上升階段出現(xiàn)較大的高頻震蕩；另外，JYC 傳感器敏感元件面積（直徑15 mm）較大，當(dāng)考慮沖擊波在敏感元件表面不同區(qū)域的非同步加載時(shí)，沖擊波作用于敏感元件持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致不同區(qū)域的壓電膜元件電荷量輸出遲滯現(xiàn)象明顯；最后，盲板在沖擊波作用下產(chǎn)生高頻振動(dòng)，由于壓力計(jì)緊貼在盲板表面且頻響較低，因此壓力計(jì)的輸出信號(hào)受盲板振動(dòng)影響較為顯著。上述原因?qū)е翵YC15 傳感器測(cè)量波形與PCB 傳感器測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線吻合度較差。圖3(c)為針對(duì)一批次JYC15 傳感器在不同強(qiáng)度沖擊波加載下輸出電荷量密度與沖擊波壓力的關(guān)系，即傳感器的力電響應(yīng)統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，單個(gè)傳感器電荷量密度隨壓力基本呈線性增長(zhǎng)，但個(gè)體差異性過(guò)大；其中JYC15-1 傳感器力電敏感系數(shù)（75～120 pC/N）遠(yuǎn)高于其他4 只傳感器并隨壓力增大而增大。其余4 支傳感器整體線性擬合所得力電響應(yīng)靈敏度系數(shù)K =(23.5±3.4) pC/N，與準(zhǔn)靜態(tài)壓電系數(shù)d33較為接近，而與霍普金森壓桿動(dòng)態(tài)標(biāo)定系數(shù)相差較大。因此JYC15 傳感器過(guò)大的敏感元件面積和封裝厚度導(dǎo)致其在壓力曲線特征和力電響應(yīng)特性方面均無(wú)法滿足低強(qiáng)度沖擊波的準(zhǔn)確測(cè)量要求。

圖3 JYC15 傳感器沖擊波測(cè)量結(jié)果與力電響應(yīng)Fig.3 Shock wave measurement results and pressure-electric response of JYC15 gauges

1.2.2 PVDF2-11

圖4 為3 支PVF2-11 傳感器反射沖擊波壓力pr= 0.24，0.78 MPa 時(shí)的測(cè)量結(jié)果，對(duì)比可知，傳感器上升沿持續(xù)時(shí)間約80 μs，略高于PCB 壓力計(jì)測(cè)量結(jié)果，峰值過(guò)沖現(xiàn)象明顯，主要與沖擊波在傳感器表面的反射有關(guān)。但PVF2-11 壓力計(jì)較小的封裝厚度保持了其較高的頻響，因此盲板振動(dòng)對(duì)壓力曲線高頻震蕩的影響小于其他2 種傳感器。其中PVF2-11-1 測(cè)量效果優(yōu)于其他2 支傳感器，靈敏度系數(shù)在該壓力范圍內(nèi)基本保持為常數(shù)K=62 pC/N，但遠(yuǎn)高于標(biāo)稱(chēng)力電響應(yīng)關(guān)系式（1）在該壓力范圍內(nèi)的靈敏度系數(shù)K=17 pC/N，分析認(rèn)為，該現(xiàn)象與壓電材料的剩余極化強(qiáng)度以及較低壓力作用下力電響應(yīng)非線性特征相關(guān)。PVF2-11-2 傳感器在不同壓力下測(cè)量壓力曲線脈寬相差較大，可能與結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞲衅髟跊_擊波作用下的振動(dòng)有關(guān)，其靈敏度系數(shù)與PVF2-11-1 傳感器基本一致。PVF2-11-3 傳感器在較低壓力加載下無(wú)有效信號(hào)輸出，在較高強(qiáng)度的沖擊波作用下靈敏度約31 pC/N，且脈寬遠(yuǎn)小于其他傳感器。綜上可知，在高壓范圍內(nèi)標(biāo)定的壓力計(jì)的力電響應(yīng)曲線并不適用于低強(qiáng)度沖擊波的測(cè)量計(jì)算，雖然PVF2-11 傳感器在當(dāng)前加載壓力范圍內(nèi)具有較好的力電響應(yīng)線性特征，但在壓力時(shí)程曲線形態(tài)的穩(wěn)定表征和個(gè)體差異性控制方面仍存在一定的不足。

圖4 PVF 2-11 傳感器沖擊波測(cè)量結(jié)果Fig.4 Shock wave measurement results of PVF2-11 gauges

1.2.3 CPT

CPT 組傳感器封裝電極導(dǎo)電層為聚合物導(dǎo)電膠，膠層內(nèi)有縱橫編織的纖維布，材料整體強(qiáng)度較高，典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5(a) 所示。由圖可知，CPT 傳感器由于外部封裝層厚度較大，上升沿持續(xù)時(shí)間約120 μs，后續(xù)高頻震蕩周期約330 μs，分析認(rèn)為該現(xiàn)象也與盲板的高頻振動(dòng)有關(guān)。但CPT 傳感器基本能夠表征沖擊波壓力階躍之后的平臺(tái)階段，在壓力衰減階段，由于壓電膜自身的卸載特性、測(cè)量電路的低通濾波特性以及傳感器在結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)影響，其偏離實(shí)際壓力信號(hào)曲線。因此，對(duì)一組傳感器在不同強(qiáng)度沖擊波壓力下進(jìn)行標(biāo)定，力電響應(yīng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖5(b) 所示，對(duì)比可知，傳感器靈敏度系數(shù)K=20～43 pC/N，同一傳感器輸出電荷量密度q 隨加載沖擊波強(qiáng)度p 的變化規(guī)律較為復(fù)雜，說(shuō)明力電轉(zhuǎn)換系數(shù)隨加載波強(qiáng)度變化而變化；另外，不同傳感器之間的力電響應(yīng)離散性較大，無(wú)法通過(guò)有限數(shù)量的傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得CPT 傳感器的標(biāo)定曲線。

圖5 CPT 傳感器沖擊波測(cè)量結(jié)果與力電響應(yīng)Fig.5 Shock wave measurement results and pressure-electric response of CPT gauges

1.3 分析討論

對(duì)比上述3 種傳感器沖擊波標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，PVF2-11 傳感器具有較好的測(cè)量效果，但仍存在個(gè)體差異性大、峰值過(guò)沖等問(wèn)題。另外，直接固定于基體表面的測(cè)量方式使傳感器輸出信號(hào)受結(jié)構(gòu)振動(dòng)效應(yīng)影響，可能導(dǎo)致輸出信號(hào)與真實(shí)壓力曲線產(chǎn)生較大偏差，如圖4 (b)所示。對(duì)比不同形式封裝的壓力計(jì)可知，當(dāng)壓力計(jì)封裝厚度過(guò)大時(shí)，沖擊波在封裝層/芯層/封裝層界面上的反射效應(yīng)較強(qiáng)，導(dǎo)致傳感器內(nèi)部應(yīng)力平衡所需時(shí)間增大，測(cè)量曲線在壓力上升階段出現(xiàn)多次高頻振蕩和峰值過(guò)沖，影響壓力峰值的判讀和沖擊波壓力階躍特性的準(zhǔn)確表征。另外，較大的敏感單元面積也會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)上升沿持續(xù)時(shí)間增大、高頻振蕩特征更明顯，當(dāng)沖擊波掠射或斜入射作用于敏感元件時(shí)，元件不同區(qū)域的力電響應(yīng)不同步則會(huì)導(dǎo)致上升沿遲緩和信號(hào)峰值降低。綜上可知，無(wú)論何種封裝形式的壓力計(jì)，在背部支撐方式測(cè)量強(qiáng)度較低的沖擊波時(shí)，都存在顯著的個(gè)體差異性以及單個(gè)傳感器壓力測(cè)量結(jié)果的離散性。

由于PVDF 聚合物材料的力學(xué)響應(yīng)存在明顯的非線性特征，其力電響應(yīng)僅在較高的壓力范圍內(nèi)具有較好的線性相關(guān)特征。當(dāng)加載壓力幅值較低時(shí)，力電響應(yīng)的非線性、封裝結(jié)構(gòu)缺陷以及背部支撐基體振動(dòng)等因素產(chǎn)生的非測(cè)量電荷量輸出信號(hào)可能與沖擊波加載輸出信號(hào)量級(jí)相當(dāng)，導(dǎo)致多個(gè)樣本間的差異性和單個(gè)樣本多次測(cè)量結(jié)果的離散性都較大。以0.5 MPa 的沖擊波加載為例，當(dāng)傳感器內(nèi)部壓力平衡后，PVDF 元件的面外壓縮應(yīng)變僅約0.02%，考慮到壓力計(jì)自身厚度較小，結(jié)構(gòu)內(nèi)部平整性、芯層對(duì)PVDF 元件的面內(nèi)約束、封裝層與PVDF 元件間的波阻抗失諧、壓力計(jì)在結(jié)構(gòu)表面的柔性屈曲和振動(dòng)等因素，都可能在沖擊波作用的瞬間對(duì)PVDF 元件的變形產(chǎn)生較大影響，此類(lèi)因素造成的非測(cè)量輸出對(duì)高壓力范圍內(nèi)的壓力測(cè)量影響較小，但對(duì)低強(qiáng)度沖擊波的測(cè)量影響則相對(duì)較大。因此針對(duì)低強(qiáng)度、高頻響沖擊波測(cè)量，傳統(tǒng)壓力計(jì)及工作模式難以實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量，需要通過(guò)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高較低壓力作用下絕對(duì)電荷量輸出的方法降低相對(duì)誤差，提高測(cè)量信噪比、測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

2 復(fù)合壓電效應(yīng)傳感器設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合壓電效應(yīng)傳感器

如圖6 (a)所示，PVDF 壓電薄膜一般采用單軸機(jī)械拉伸和面外極化方式提高其壓電性能，具有正交各向異性的力電響應(yīng)特征。在笛卡兒坐標(biāo)系下，設(shè)方向3 為面外高壓極化方向，在面內(nèi)拉伸方向1 與面外壓縮方向3 具有相當(dāng)?shù)牧﹄娹D(zhuǎn)換系數(shù)，方向2 的拉伸力電響應(yīng)系數(shù)則相對(duì)較小。傳統(tǒng)PVDF 壓力計(jì)工作原理均以面外壓縮為主，即d33單一壓電工作模式，僅在方向3 上施加載荷并測(cè)量電荷量輸出。當(dāng)元件不受外加電場(chǎng)作用時(shí)，PVDF 的壓電效應(yīng)可表示為：

圖6 復(fù)合壓電效應(yīng)及DSP 傳感器Fig.6 Coupling piezoelectric effect and DSP pressure gauge

式中：qi（i=1，2，3）為3 個(gè)方向的放電電荷面密度，pC/mm2；dij(i=1，2，3； j=1，2，3)為壓電常數(shù)，pC/N，且i 為極化電荷的面法線方向，j 為作用力方向；σij為PVDF 應(yīng)力張量，MPa。常規(guī)壓電膜使用僅測(cè)量面外電荷量輸出，即：

傳統(tǒng)壓力計(jì)工作時(shí)僅考慮面外加載，即單一壓電工作模式，不考慮式（2）中的前2 項(xiàng)，則輸出電荷量與面外壓應(yīng)力正相關(guān)。然而，當(dāng)傳感器背部支撐基體剛度較小、變形較迅速時(shí)，傳感器的隨動(dòng)彎曲和面內(nèi)拉伸均可產(chǎn)生較大的電荷量輸出并與面外壓縮應(yīng)力引起的電荷信號(hào)耦合，導(dǎo)致測(cè)量嚴(yán)重偏離d33單一壓電效應(yīng)下的預(yù)測(cè)結(jié)果。因此d33單一壓電工作模式的傳感器在測(cè)量較低強(qiáng)度的沖擊波壓力時(shí)會(huì)出現(xiàn)名義靈敏度系數(shù)離散、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。

根據(jù)周向固支薄膜在較小的面外壓力作用下即可產(chǎn)生較大的面內(nèi)拉伸應(yīng)力的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征，在薄膜傳感器與基體結(jié)構(gòu)表面之間增加一層柔性基底，一方面用以隔離基體結(jié)構(gòu)變形對(duì)薄膜傳感器的影響，另一方面將傳感器的以面外壓縮為主的壓電工作模式轉(zhuǎn)換為以面內(nèi)拉伸為主的工作模式，如圖6(b)所示。此時(shí)面內(nèi)方向1、2 的拉應(yīng)力以及面外方向3 的壓縮應(yīng)力均可對(duì)電荷量的正向輸出產(chǎn)生貢獻(xiàn)。本文中將綜合利用多個(gè)方向壓電效應(yīng)的工作原理稱(chēng)之為復(fù)合壓電效應(yīng)，該方式可有效提高低強(qiáng)度壓力作用下傳感器的電荷量輸出和名義力電轉(zhuǎn)換靈敏度。

由于CPT 傳感器中壓電膜元件較小且與芯層PI 膜分離，僅通過(guò)上下層的聚合物導(dǎo)電帶將PVDF 與PI 芯層黏結(jié)為整體，CPT 面外彎曲變形產(chǎn)生的面內(nèi)拉伸應(yīng)力無(wú)法有效傳遞至壓電膜元件。另外，由于復(fù)合壓電效應(yīng)的器件電荷輸出主要依靠面內(nèi)拉伸壓電效應(yīng)，面外壓縮產(chǎn)生的壓電效應(yīng)輸出較小，因此可采用整張PVDF 壓電膜作為傳感器芯層，通過(guò)周向固支邊界設(shè)定變形區(qū)尺寸，忽略固支邊界區(qū)的壓電膜在面外加載下的輸出電荷對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，即采用直接夾芯封裝（direct sandwich packaging，DSP）方式制備適用于復(fù)合壓電工作模式的薄膜傳感器，如圖6(c)所示。DSP 傳感器芯層PVDF 膜厚53 μm、上下層PI 膜厚度30 μm，采用厚約10 μm 的壓敏膠壓合黏結(jié)，壓制后的傳感器總厚度約130 μm。傳感器前端圓形區(qū)域直徑約15 mm，變形區(qū)直徑8 mm。采用內(nèi)孔8 mm、厚1.5 mm 的柔性PVC 基底作為傳感器的安裝和變形區(qū)控制基底。DSP 傳感器通過(guò)厚50 μm 的雙面膠粘貼于PVC 基底表面，黏結(jié)區(qū)域即為薄膜元件的周向固支區(qū)域，傳感器面外變形區(qū)總厚度約0.18 mm。

2.2 數(shù)值模擬

針對(duì)本文中改進(jìn)的具有復(fù)合壓電效應(yīng)的薄膜傳感器，利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 模擬周向固支薄膜元件在面外沖擊波載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，有限元模型如圖7(a)所示?；趩?wèn)題的軸對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)，采用1/4 有限元模型，傳感器各個(gè)部分均采用Solid 164 單元建模，縱向單元尺寸為0.01 mm，橫向單元尺寸為0.04 mm。模型X=0 和Y=0 兩個(gè)面設(shè)置對(duì)稱(chēng)邊界，距離中心4.0 mm 以外節(jié)點(diǎn)設(shè)置固定約束，以模擬傳感器的四周固支作用。為簡(jiǎn)化計(jì)算，模擬中暫不考慮材料的失效和塑性行為，PVDF 和PI 膜均采用線彈性材料模型，其密度分別為1.7、1.45 g/cm3，彈性模量2.5 GPa，泊松比0.35，使用LS-DYNA 關(guān)鍵字DEFINE_CURVE 和LOAD_SEGMET 在傳感器上表面施加由實(shí)驗(yàn)所得的沖擊波壓力時(shí)程曲線，如圖7(b)所示。圖7(c)為0.5 MPa 沖擊波作用下薄膜元件的等效應(yīng)力云圖及應(yīng)力、位移觀測(cè)標(biāo)記點(diǎn)，由圖可知元件內(nèi)部拉應(yīng)力強(qiáng)度較高。

圖7 DSP 壓力計(jì)有限元模型與von Mises 應(yīng)力云圖Fig.7 Finite element model and the von Mises stress map of DSP gauge

自薄膜中心向外依次選取如圖7(c)所示的單元和節(jié)點(diǎn)并輸出應(yīng)力和位移時(shí)程曲線，其中徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力隨徑向距離的衰減規(guī)律分別如圖8(a)～(b)所示，圖8(c)為節(jié)點(diǎn)面外位移曲線。由圖可知，在0.5 MPa 面外壓力作用下，薄膜中心點(diǎn)徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力一致，峰值應(yīng)力約28.2 MPa，遠(yuǎn)高于面外沖擊波強(qiáng)度；中心點(diǎn)面外位移最大，約0.51 mm；隨著徑向距離的增加，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力峰值分別呈緩慢和快速衰減規(guī)律。上述結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)薄膜傳感器設(shè)置周向固支邊界條件和面外變形區(qū)域，可將較低強(qiáng)度的沖擊波載荷轉(zhuǎn)換為較高強(qiáng)度的面內(nèi)拉應(yīng)力，當(dāng)考慮面內(nèi)拉伸壓電效應(yīng)時(shí)能夠顯著提高傳感器的電荷量輸出，降低測(cè)量相對(duì)誤差。當(dāng)將疊層薄膜傳感器視為均勻介質(zhì)時(shí)，薄膜彈性變形理論表明周向固支薄膜徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力隨徑向距離基本呈線性衰減，而中心區(qū)域的拉應(yīng)力強(qiáng)度則與面外載荷p2/3線性相關(guān)[14]，理論計(jì)算可知3 種面外載荷作用下，薄膜中心拉應(yīng)力分別約為18.7、29.8、39.0 MPa，數(shù)值模擬所得結(jié)果分別為17.7、28.2、37.8 MPa，與薄膜變形理論預(yù)測(cè)結(jié)果較為一致。然后針對(duì)0.05～0.75 MPa不同強(qiáng)度面外載荷作用下的復(fù)合壓電效應(yīng)傳感器進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)薄膜中心點(diǎn)處拉伸應(yīng)力峰值隨面外載荷變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值擬合，如圖8(d)所示，獲得薄膜中心應(yīng)力與面外載荷關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.987。然后自薄膜中心沿徑向向外依次選取觀測(cè)量，對(duì)徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力隨徑向距離的變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值擬合，獲得在當(dāng)前加載范圍內(nèi)徑向和切向應(yīng)力隨沖擊波加載強(qiáng)度和徑向距離的變化規(guī)律：

圖8 DSP 傳感器在面外沖擊波作用下的力學(xué)響應(yīng)Fig.8 Mechanical response of DSP pressure gauge subjected to out-of-plane shock

式中：x 為歸一化徑向距離，x=r/R。由式（4）可知，在當(dāng)前加載沖擊波強(qiáng)度范圍內(nèi)，最大拉應(yīng)力37.8 MPa 小于PVDF 和PI 薄膜抗拉強(qiáng)度，仍可認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于彈性變形范圍內(nèi)，較小的面外載荷能夠引起足夠大的面內(nèi)拉伸應(yīng)力；另外，由擬合公式可知，薄膜撓曲變形引起面內(nèi)應(yīng)力始終為正，由于d31＞d32＞0，則面內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)將與面外壓縮應(yīng)力同步輸出正向電荷信號(hào)，因此能夠顯著提高傳感器輸出信號(hào)。另外，通過(guò)數(shù)值模擬可知，當(dāng)加載沖擊波強(qiáng)度為0.75 MPa 時(shí)，薄膜中心最大面外位移w 約為0.6 mm，因此傳感器基底PVC 的厚度設(shè)置為1.5 mm 足以滿足薄膜面外自由變形，而不受到基底結(jié)構(gòu)表面的影響。

3 復(fù)合壓電效應(yīng)傳感器標(biāo)定與沖擊波測(cè)量

3.1 DSP 面內(nèi)拉伸力電響應(yīng)

為驗(yàn)證DSP 面內(nèi)拉伸復(fù)合壓電效應(yīng)并標(biāo)定其力電轉(zhuǎn)換系數(shù)，采用霍普金森拉桿裝置測(cè)量其面內(nèi)沖擊拉伸力電響應(yīng)。根據(jù)數(shù)值模擬和理論分析可知，當(dāng)前沖擊波壓力測(cè)量范圍內(nèi)薄膜傳感器的面內(nèi)拉伸應(yīng)力相對(duì)較?。ㄐ∮?0 MPa），且薄膜試樣橫截面小、長(zhǎng)度大，試樣與常規(guī)拉桿廣義波阻抗嚴(yán)重失配，桿件上入射波和透射波信號(hào)微弱，難以精確測(cè)量。因此本文中采用修正的霍普金森拉桿對(duì)DSP 傳感器開(kāi)展面內(nèi)拉伸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖9(a)所示，主要由入射桿、桿端法蘭、空心撞擊桿、入射桿尾部的片狀加載板、測(cè)力裝置和支座構(gòu)成。入射桿為長(zhǎng)800 mm、外徑10 mm、壁厚0.5 mm 的空心薄壁鋁管，法蘭固定于入射桿前端，撞擊桿為長(zhǎng)100 mm、外徑12 mm、壁厚0.5 mm 的空心鋁管。采用彈簧發(fā)射撞擊桿沖擊末端法蘭，在入射桿中產(chǎn)生拉伸波并對(duì)下游的試樣加載，采用測(cè)力裝置代替透射桿直接記錄傳感器承受的載荷時(shí)程曲線，然后與傳感器的電荷輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比以標(biāo)定其力電轉(zhuǎn)換系數(shù)。為方便薄膜試樣安裝，拉桿尾部采用20 mm×50 mm 的片狀轉(zhuǎn)接頭，測(cè)力傳感器采用啞鈴形片狀鋁合金拉伸試樣，DSP 傳感器一端粘接于入射桿尾部的片狀轉(zhuǎn)接頭，另一端粘接于測(cè)力裝置前端，如圖9(a)所示。測(cè)力裝置厚1 mm，平行段長(zhǎng)10 mm、寬5 mm，通過(guò)平行段的應(yīng)力集中提高載荷信號(hào)的輸出。同時(shí)，為了避免片狀轉(zhuǎn)接頭對(duì)試樣產(chǎn)生偏心拉伸，在轉(zhuǎn)接頭兩側(cè)分別粘貼兩片傳感器同時(shí)加載。傳感器中間的壓電膜尺寸為10 mm×20 mm，拉伸區(qū)長(zhǎng)寬均為10 mm。

圖9 DSP 面內(nèi)沖擊拉伸實(shí)驗(yàn)裝置和典型測(cè)量結(jié)果Fig.9 Experimental setting of in-plane dynamic stretching for DSP and the typical testing result

圖9(b)為DSP 傳感器面內(nèi)d31方向沖擊拉伸所得電荷輸出與應(yīng)力時(shí)程曲線對(duì)比，DSP 傳感器的電輸出隨著應(yīng)力遞增而增加。圖中4 個(gè)加載水平下力電轉(zhuǎn)換系數(shù)均為d31=26 pC/N，任一應(yīng)力水平下由應(yīng)變片所得的應(yīng)力時(shí)程曲線與傳感器拉伸輸出的電荷曲線高度吻合，說(shuō)明通過(guò)面內(nèi)拉伸輸出電信號(hào)能夠準(zhǔn)確測(cè)量拉應(yīng)力，力電響應(yīng)線性度較高。因此，分別沿壓電膜d31和d32方向切割壓電元件，各制備一組DSP 傳感器進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，傳感器在該應(yīng)力范圍內(nèi)的面內(nèi)拉伸力電轉(zhuǎn)換系數(shù)穩(wěn)定，擬合結(jié)果為d31=（28.2±1.86） pC/N，d32=（3.2±0.1） pC/N，其中d31相比于壓電膜標(biāo)稱(chēng)準(zhǔn)靜態(tài)壓電系數(shù)17 pC/N 略高，可能與外部結(jié)構(gòu)封裝和沖擊加載有關(guān)，d32測(cè)量結(jié)果與標(biāo)稱(chēng)系數(shù)近似?？芍獕弘姳∧ぴ诿鎯?nèi)2 個(gè)方向的壓電效應(yīng)存在顯著的各向異性特征，這主要由壓電膜制備過(guò)程中的單軸拉伸極化工藝決定，在面內(nèi)平行和垂直于薄膜拉伸的2 個(gè)方向分別具有最大和最小的壓電效應(yīng)。

圖10 DSP 傳感器面內(nèi)拉伸靈敏度系數(shù)標(biāo)定Fig.10 Calibration of sensitivity coefficients of DSP under in-plane stretching deformation

3.2 沖擊波標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

圖11 為周向固支、變形區(qū)直徑為8 mm 的DSP 傳感器在不同強(qiáng)度的沖擊波作用下壓力時(shí)程曲線和力電響應(yīng)的標(biāo)定結(jié)果，其中PCB 傳感器直接安裝于盲板中心，端面略高于盲板表面并與DSP 傳感器平齊。如圖11(a)～(b)所示，3 支DSP 傳感器測(cè)量波形一致性較高，脈寬略小于PCB 傳感器測(cè)量結(jié)果，但名義靈敏度系數(shù)高達(dá)1000～1100 pC/N，在當(dāng)前壓力范圍內(nèi)基本可視為常數(shù)。這說(shuō)明復(fù)合壓電效應(yīng)的DSP 傳感器電荷量輸出和力電響應(yīng)線性度遠(yuǎn)高于d33單一壓電效應(yīng)的傳感器，不同DSP 傳感器的測(cè)量結(jié)果的個(gè)體差異性（靈敏度系數(shù)和脈寬）可控制在10%以?xún)?nèi)。DSP 和PCB 傳感器測(cè)量波形吻合度較高，DSP 測(cè)量壓力波上升沿持續(xù)時(shí)間約44～53 μs，小于PCB 傳感器測(cè)量波形上升沿時(shí)間60～66 μs，說(shuō)明該構(gòu)型的傳感器頻響能夠滿足沖擊波測(cè)量。DSP 和PCB 傳感測(cè)量壓力峰值處均存在一定的過(guò)沖現(xiàn)象，主要與沖擊波在測(cè)量元件表面產(chǎn)生的反射和高頻振動(dòng)效應(yīng)有關(guān)。另外，對(duì)比DSP 傳感器和CPT 等傳統(tǒng)壓力計(jì)測(cè)量結(jié)果可知，相比于d33單一壓電模式的測(cè)量中將壓力計(jì)直接粘貼于結(jié)構(gòu)表面的方式，DSP 由于采用了柔性隔離襯底，靶體結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)壓力曲線的高頻震蕩影響較小。

圖11 DSP 傳感器沖擊波測(cè)量結(jié)果Fig.11 Shock wave measuring results of DSP gauges

圖11(c)為一組DSP 傳感器輸出電荷量密度隨加載沖擊波峰值的變化規(guī)律，由圖可知，單個(gè)傳感器的壓力-電荷量密度線性度較高，名義靈敏度系數(shù)為900～1350 pC/N。針對(duì)壓力影響因素，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得靈敏度系數(shù)進(jìn)行方差分析，可得其F 值為6.3，概率P 為2.9×10-5，遠(yuǎn)小于0.01，因此壓力對(duì)靈敏度系數(shù)的影響較顯著。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雖然名義靈敏度數(shù)值較大，但其平均值也隨壓力的增大而略微減??；當(dāng)考慮個(gè)體差異性因素時(shí)，對(duì)12 組傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，可得F 值為2.51，概率P 為0.052，大于0.05，可知個(gè)體因素對(duì)傳感器靈敏度系數(shù)影響基本不顯著，說(shuō)明通過(guò)復(fù)合壓電效應(yīng)提高傳感器力電響應(yīng)可有效減弱傳感器個(gè)體差異對(duì)測(cè)量性能的影響。分析認(rèn)為，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散原因主要為DSP 傳感器的手工封裝及其與基底復(fù)合粘接強(qiáng)度的工藝誤差，可通過(guò)薄膜工藝提升批量化制作傳感器結(jié)構(gòu)的一致性，并通過(guò)控制薄膜與襯底結(jié)合時(shí)的張緊預(yù)應(yīng)力提高測(cè)量性能的一致性。壓力對(duì)靈敏度的顯著影響主要與薄膜結(jié)構(gòu)的面外壓力-面內(nèi)應(yīng)力的非線性關(guān)系有關(guān)，因此本文中對(duì)DSP 傳感器的力電響應(yīng)進(jìn)行非線性擬合，如圖11(c)所示。擬合相關(guān)系數(shù)約0.91，95%置信帶寬度約為擬合結(jié)果的±3.2%、預(yù)測(cè)帶寬度約為擬合結(jié)果的±13%，根據(jù)3σ 法則可知，該壓力范圍內(nèi)的靈敏度系數(shù)均值的波動(dòng)范圍約±105.5 pC/N。因此基于有限數(shù)量的傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，可有效表征DSP 復(fù)合壓電效應(yīng)型傳感器在該壓力范圍內(nèi)的沖擊波測(cè)量力電轉(zhuǎn)換靈敏度系數(shù)。

考慮到實(shí)際測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性，將復(fù)合壓電效應(yīng)傳感器安裝于柔性模擬靶體表面開(kāi)展沖擊波測(cè)量的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。采用強(qiáng)度與生物組織近似的25 度EVA 彈性泡沫模擬生物靶體，泡沫直徑80 mm、厚度30 mm，安裝于激波管尾部適配段內(nèi)，如圖12(a)所示。泡沫靶體迎波面粘貼韌性較強(qiáng)、常用于模擬皮膚的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）硅橡膠彈性膜作為保護(hù)層，傳感器粘貼在PDMS 層表面正對(duì)沖擊波加載方向。沖擊波加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12(b)所示，由圖可知，自制傳感器（S1 和S2）在柔性靶體表面測(cè)量沖擊波曲線存在多峰震蕩特征，但其測(cè)量曲線與靶體前端的PCB 反射壓力曲線基本一致，計(jì)算靈敏度系數(shù)約1200 pC/N，與圖11(c)中標(biāo)定曲線吻合。其中S1 測(cè)量曲線下降沿與PCB 測(cè)量結(jié)果偏差較大，分析認(rèn)為主要與沖擊波作用下傳感器在大變形靶體表面的振動(dòng)和剝離行為有關(guān)。雖然實(shí)驗(yàn)中對(duì)沖擊波作用區(qū)的傳感器和引線進(jìn)行了保護(hù)，但沖擊波作用后仍然出現(xiàn)了傳感器剝離、引線斷裂等現(xiàn)象，因此柔性靶體表面的沖擊波測(cè)量還需針對(duì)傳感器及引線布設(shè)、粘貼和保護(hù)等問(wèn)題采取合理措施。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于柔性襯底封裝和復(fù)合壓電效應(yīng)原理的壓力傳感器在柔性靶體表面的沖擊波測(cè)量中也具有較好的適用性。

圖12 柔性靶體上的沖擊波測(cè)量Fig.12 Shock wave measurement of DSP on flexible target

4 結(jié) 論

針對(duì)PVDF 壓電膜制備的柔性壓力傳感器，開(kāi)展沖擊波標(biāo)定和測(cè)量實(shí)驗(yàn)，評(píng)估傳統(tǒng)柔性壓力傳感器及其工作模式在低強(qiáng)度沖擊波測(cè)量應(yīng)用中的可靠性，并基于微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一種高精度、高靈敏的沖擊波測(cè)量方案，具體結(jié)果如下。

(1) 傳統(tǒng)d33單一壓電工作模式的柔性壓力傳感器測(cè)量低強(qiáng)度沖擊波時(shí)，存在個(gè)體差異性大、靈敏度系數(shù)不穩(wěn)定、電荷量輸出小等缺點(diǎn)，主要與較低壓力下壓電膜力電響應(yīng)線性度差、測(cè)量系統(tǒng)信噪比低有關(guān)。

(2) 采用周向固支、面外撓曲變形的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒆饔糜诒∧鞲衅鞅砻娣递^低的面外沖擊波載荷轉(zhuǎn)換為幅值較高的面內(nèi)拉伸應(yīng)力，協(xié)同壓電膜d31和d32方向的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的復(fù)合壓電效應(yīng)，可大幅提高傳感器名義輸出電荷量密度與加載壓力間的靈敏度系數(shù)、降低傳感器個(gè)體差異性。

(3) 基于數(shù)值模擬和理論分析所得的薄膜傳感器力學(xué)響應(yīng)較為一致，復(fù)合壓電效應(yīng)傳感器在0.2～0.7 MPa 范圍內(nèi)靈敏度系數(shù)約900～1350 pC/N，批量化制作的傳感器采用統(tǒng)一擬合靈敏度系數(shù)時(shí)測(cè)量誤差約±13%，本設(shè)計(jì)可為適用于人員裝備表面低強(qiáng)度沖擊波壓力測(cè)量的高靈敏柔性器件的研制提供參考。