PVDF壓電薄膜傳感器研究

研究成果聲明含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對此研究工作所做的任何貢獻均已在學(xué)位論文中作了明確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明研究成果聲明含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對此研究工作所做的任何貢獻均已在學(xué)位論文中作了明確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明許學(xué)位論文被查閱或借閱；④學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的,復(fù)制贈送和交換解密后守此定。簽名：日期：導(dǎo)師簽名：日期：北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要曲面材料和脆性材料表面或沖擊界面上的壓力測量是爆炸沖擊領(lǐng)域是一個難點。北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要曲面材料和脆性材料表面或沖擊界面上的壓力測量是爆炸沖擊領(lǐng)域是一個難點。測試領(lǐng)域尤為重要。聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride，簡稱PVDF）壓電薄膜度高、頻率響應(yīng)范圍寬等優(yōu)勢，在壓力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文以PVDFPVDFPVDF傳感器的工藝流程，依次利用激波管裝置和落錘裝置完成了對PVDF傳感器的動態(tài)性測試和動態(tài)標(biāo)定試驗。PVDF壓電薄膜的研究都是以實驗室為單位進行，制作的PVDF應(yīng)力20MPaPVDF傳較為優(yōu)化的PVDF傳感器制作材料。最后對自制性能最優(yōu)的PVDFPVDF傳感器和標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的電壓峰值，根據(jù)靈敏度計算公式計算出超壓和PVDFPVDF傳感器的靈敏度曲激波管裝置上測試PVDF傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器，結(jié)果表明兩個傳感器在同一個激勵源下產(chǎn)生的超壓基本吻合，說明研制的傳感器可以應(yīng)用于工程試驗。關(guān)鍵詞：PVDF薄膜；傳感器；動態(tài)性測試；動態(tài)標(biāo)定I北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractPressuringmeasurementofsurfacematerialsandbrittlematerialsontheinterfacesurfaceorshockblastisadifficultfield.Traditionalsensorsembeddedinobjectsormaterialstotheinteriortobemeasured,sothattheintegrityofobjectsormaterialdamagecaused,evenaffectthematerialproperties.Therefore,thedevelopmentofgoodperformanceofthesensorinthefieldofshockwavepressuretestisparticularlyimportant.PolyvinylideneFluoride(PolyvinylideneFluoride,PVDF)piezoelectricfilmisanewtypeofpolymerpiezoelectricmaterial,becauseofitslightweight,thinthickness,highsensitivity,highmechanicalstrength,widefrequencyresponserangeandotheradvantages,hasbeenwidelyusedinthefieldofpressuresensorapplications.ThispaperusesPVDFpiezoelectricfilmsassensitivecomponent,finishedthepiezoelectricpropertiesofPVDFpiezoelectricfilm,thesensingmechanismanalysis,andproductionprocessforPVDFsensorsinthelaboratory,inturnusingshocktubeandthedroppinghammerdevicecompletedonthePVDFsensor'sdynamictestsandcalibrationtests.Athome,thestudyofPVDFpiezoelectricfilmisbasedonlaboratory,PVDFstresssensorindifferentofPVDFshape,thickness,insulationadhesive,packagingmaterials,thereisnounifiedstandard,andarelackingofcalibrationcurveunder20MPaandone北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractPressuringmeasurementofsurfacematerialsandbrittlematerialsontheinterfacesurfaceorshockblastisadifficultfield.Traditionalsensorsembeddedinobjectsormaterialstotheinteriortobemeasured,sothattheintegrityofobjectsormaterialdamagecaused,evenaffectthematerialproperties.Therefore,thedevelopmentofgoodperformanceofthesensorinthefieldofshockwavepressuretestisparticularlyimportant.PolyvinylideneFluoride(PolyvinylideneFluoride,PVDF)piezoelectricfilmisanewtypeofpolymerpiezoelectricmaterial,becauseofitslightweight,thinthickness,highsensitivity,highmechanicalstrength,widefrequencyresponserangeandotheradvantages,hasbeenwidelyusedinthefieldofpressuresensorapplications.ThispaperusesPVDFpiezoelectricfilmsassensitivecomponent,finishedthepiezoelectricpropertiesofPVDFpiezoelectricfilm,thesensingmechanismanalysis,andproductionprocessforPVDFsensorsinthelaboratory,inturnusingshocktubeandthedroppinghammerdevicecompletedonthePVDFsensor'sdynamictestsandcalibrationtests.Athome,thestudyofPVDFpiezoelectricfilmisbasedonlaboratory,PVDFstresssensorindifferentofPVDFshape,thickness,insulationadhesive,packagingmaterials,thereisnounifiedstandard,andarelackingofcalibrationcurveunder20MPaandone—dimensionalstrain.thisusingshocktubeapparatusastheexcitationsourcedoadynamictest,contrastinPVDFsensorshape,thickness,insulationadhesiveandpackagingmaterials,todeterminetheoptimalmaterialPVDFsensors.Intheend,weusedthedrophammerdevicestodolow-pressuredynamiccalibrationtest,testingtheoptimalperformanceofPVDFsensor.Aftertesting,weobtainaPVDFsensorandthestandardpressuresensorvoltagepeak,accordingtotheformulatocalculatethesurpluspressuresensitivityandamountofchargegeneratedbyPVDFsensor,fittingasensitivitycurveofthePVDFsensor,thecurveisastraightline,thestraightslopeisthesensitivityofPVDFsensor.usingthecalibrationcurveintheshocktubedevicetotestPVDFsensorsandstandardsensors,theresultsshowedthattwosensorsinthesameexcitationsourceofoverpressuregeneratedbasicallyconsistent,thedevelopedsensorcanbeusedintheexperimentinengineering.KeyPVDFfilm;thesensor;dynamictests;dynamiccalibrationII北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄第一章緒論 11.11.2論文研究的目的和意義 1壓電傳感器及PVDF壓電薄膜 21.2.1壓電傳感器 21.2.2PVDF壓電薄膜的特點 3北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄第一章緒論 11.11.2論文研究的目的和意義 1壓電傳感器及PVDF壓電薄膜 21.2.1壓電傳感器 21.2.2PVDF壓電薄膜的特點 3國內(nèi)外對PVDF壓電薄膜傳感器的研究現(xiàn)狀 41.3.1國外研究現(xiàn)狀 41.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 6文章主要研究工作 81.31.4第二章PVDF壓電薄膜傳感器的制作 92.1PVDF壓電薄膜 92.1.1PVDF壓電薄膜的結(jié)構(gòu) 92.1.2PVDF壓電薄膜的壓電特性分析 10PVDF壓電薄膜傳感器等效電路模型 12PVDF壓電薄膜傳感器的測量方法 14傳感器的制作 ..4實驗材料的準(zhǔn)備 17傳感器的結(jié)構(gòu) 19傳感器的制作工藝 19制作過程中的注意事項 222.5本章總結(jié) 23第三章PVDF薄膜傳感器的動態(tài)性測試 243.13.2PVDF壓電薄膜傳感器的時域動態(tài)性能指標(biāo) 24激波管裝置對PVDF傳感器動態(tài)測試方案 2.23.2.3激波管裝置簡介 26激波管階躍壓力波的性質(zhì) 27試驗系統(tǒng)的建立 283.3激波管裝置對PVDF傳感器的動態(tài)特性測試過程及數(shù)據(jù)分析 313.3.1實驗過程 313.3.2實驗數(shù)據(jù)處理及分析 31本章總結(jié) 453.4第四章PVDF壓電薄膜傳感器的標(biāo)定技術(shù) 464.1落錘裝置標(biāo)定PVDF傳感器的實驗方案 464.1.1實驗原理 464.1.2實驗裝置 47落錘裝置標(biāo)定PVDF傳感器的實驗過程 48實驗數(shù)據(jù)分析 494.24.3III北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4.4PVDF傳感器在激波管上的應(yīng)用 564.5北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4.4PVDF傳感器在激波管上的應(yīng)用 564.5本章總結(jié) 58結(jié)論 59參考文獻 60致謝 63IV北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1.1論文研究的目的和意義北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1.1論文研究的目的和意義和開發(fā)的熱點[1]。爆炸和沖擊下物體表面或沖擊界面上的壓力的測量一直是爆炸沖擊工程領(lǐng)域中求傳感器成本不能太高[2]。這就需要我們研究出一種傳感器，不僅要滿足在測量物體表面或沖擊界面上的沖擊壓力時不用破壞構(gòu)件的完整性，而且還要成本低廉。[3]。聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride，簡稱PVDF）壓電薄膜是一種新型的高分子材料，是一種高結(jié)晶度的含氟化合物。由于PVDF壓電薄膜極薄、質(zhì)地柔軟、響1北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文應(yīng)快、靈敏度高、韌度高、頻率范圍寬、測壓范圍大、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點，因此在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是一種越來越受新型壓電材料。PVDF壓電薄膜憑借著前景。北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文應(yīng)快、靈敏度高、韌度高、頻率范圍寬、測壓范圍大、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點，因此在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是一種越來越受新型壓電材料。PVDF壓電薄膜憑借著前景。對PVDF壓電薄膜的研究在國際上開始的較早，國內(nèi)在這方面的工作開始的比較PVDF壓電薄膜傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；蔀檠芯亢托枰鉀Q的主要問題[4]。因此，本文從基礎(chǔ)研究理論開始，通過對PVDF薄膜材料壓電特性、傳感機理的分析，得出實驗室制作傳感器的工藝流程，PVDF壓電薄膜傳感器進行標(biāo)定試驗，這對于低壓狀態(tài)下PVDF壓電薄膜傳感器的研究有重要的意義。1.2壓電傳感器及PVDF壓電薄膜1.2.1壓電傳感器傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。國家標(biāo)準(zhǔn)(GB665—87)中對傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)化成適于傳輸和測量的電信號部分。壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。所以壓電傳感器是將機械能轉(zhuǎn)化為電能，屬于典型的有源傳感器。材料是關(guān)鍵，選用時應(yīng)注意以下幾個方面：1）機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的剛度大，強度高，以獲得較高的固有振動頻率和較寬的線性范圍；2）轉(zhuǎn)換性能：具有較大的壓電常數(shù)；3）電性能：希望具有較大的介電常數(shù)和較高的電阻率，以減弱外部分布電容的2北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文影響和良好的低頻特性；4）居里點要高，以得到較寬的工作溫度范圍；5）時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間變化而改變。北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文影響和良好的低頻特性；4）居里點要高，以得到較寬的工作溫度范圍；5）時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間變化而改變。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。石英和壓電陶瓷雖然是兩大類性能較好的壓電材料，但這兩類材料具有密度大、而PVDF作為一種新型的高分子聚合物型壓電材料很好的克服了這些困難，表現(xiàn)在質(zhì)量輕、機械強度高、柔順性好、高彈性、高電壓輸出、高介電強度，頻率響應(yīng)范圍寬等方面?；谏鲜鲈颍蒔VDF壓電薄膜制成的元器件已在多種領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。1.2.2PVDF壓電薄膜的特點PVDF是一種新型的高分子聚合物型壓電材料。自1969年日本的Kawai發(fā)現(xiàn)PVDF薄膜的壓電特性以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，PVDF壓電薄膜的優(yōu)越性能已體現(xiàn)在社會中的各個方面，由PVDF壓電薄膜制成的元器件逐漸走向?qū)嵱没A段。PVDF用于制作壓電傳感器有以下優(yōu)點[5]：1）壓電常數(shù)d參數(shù)比石英高十多倍。雖然比PZT低，但作為傳感材料更重要的一個特征參數(shù)g的值比PZT高20倍左右。5um到lmm因此適于做大面積的傳感陣列器件。3）聲阻抗低，為3.5×106Pa.s/m，僅為PZT壓電陶瓷的1/10，它的聲阻抗與水、人體肌肉的聲阻抗很接近，并且柔順性好，便于貼近人體，與人體接觸安全舒適，因此用作水聽器和醫(yī)用儀器的傳感元件時，可不用阻抗變換器。4）頻晌寬，室溫下在10-5—109Hz范圍內(nèi)響應(yīng)平坦，即從準(zhǔn)靜態(tài)、低頻、高頻、超聲及超高頻均能轉(zhuǎn)換機電效應(yīng)。5）由于PVDF的分子結(jié)構(gòu)鏈中有氟原子使得它的化學(xué)穩(wěn)定性和耐疲勞性高，吸6）高介電強度：可耐受強電場作用(75V/um)，此時大部分陶瓷已退極化。PZT壓電陶瓷的1/4，做成傳感器對被測量的結(jié)構(gòu)影響小。8）容易加工和安裝：可以根據(jù)實際需要來制定形狀，用502膠來粘貼固定。3北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文但是PVDF壓電薄膜同樣存在著缺點：1）它的有效輸出來自于被測能量的一部分，制成的傳感器內(nèi)阻較高，輸出能量比較小。北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文但是PVDF壓電薄膜同樣存在著缺點：1）它的有效輸出來自于被測能量的一部分，制成的傳感器內(nèi)阻較高，輸出能量比較小。2）電容很小，在外力作用下所產(chǎn)生的電荷很快就會失去，在零頻率時要求長時態(tài)的測量。3）只能在一定范圍內(nèi)滿足近似線性要求，并容易受外界多種環(huán)境影響。1.3國內(nèi)外對PVDF壓電薄膜傳感器的研究現(xiàn)狀1969年，日本Kawai發(fā)現(xiàn)極化后的高分子材料聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride，簡稱PVDF）具有壓電特性，其后，PVDF壓電薄膜就開始成為人們的重點PVDF用，同時，這也加快了世界各國科學(xué)研究者對PVDF薄膜傳感器的研究步伐。1.3.1國外研究現(xiàn)狀（1）爆炸、沖擊測量領(lǐng)域PVDF作為傳感器，可應(yīng)用于沖擊、爆炸測量領(lǐng)域，國外學(xué)者對它的一些特性，例如量程、頻率響應(yīng)、信號上升時間、靈敏度的影響因素等方面作了大量的研究：比ChunLee，HoHsunTsai等人構(gòu)建了一組PVDF傳感器陣列，通過落球試驗和氣炮沖擊試驗研究了傳感器的動態(tài)特性，落球試驗證實了陣列中傳感器相互之間的干擾很小，干擾值不超過2％；氣炮沖擊試驗在試驗手法上實現(xiàn)了PVDF傳感器陣列標(biāo)定的同時性，從各個PVDF輸出值上來看，傳感器陣列在接受相同的氣壓沖擊時，輸出結(jié)輸出信號的平均上升時間僅為31ns，適合測量沖擊壓力。作者還提出在具體的試驗過程中必須考慮導(dǎo)致傳感器響應(yīng)頻率降低的因素，例如基底材料因素、電極因素，粘貼材料因素等，這些因素的變化將導(dǎo)致傳感器的響應(yīng)頻率與理論不一致[7]。通過擺球試明PVDF傳感器準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)了作用在其上的不同的沖擊信號。FrancoisBauer提出經(jīng)選擇和精確極化的標(biāo)9mm2PVDF壓力計能夠精確的對25Gpa的壓力做出響應(yīng)，lmm2的壓4北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文力計可以精確的對外界高達12Gpa壓力做出響應(yīng)。爆炸沖擊壓力作用后，粘貼有襯底北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文力計可以精確的對外界高達12Gpa壓力做出響應(yīng)。爆炸沖擊壓力作用后，粘貼有襯底的方法制作的PVDF計對于壓力測量的峰值輸出偏差不超過10%，證明了其有能力應(yīng)其輸出結(jié)果不依賴于加載方式；通過使用激光干涉法測試PVDF計中粒子的速度變化，發(fā)現(xiàn)與PVDF計中壓力變化過程具有一致性。（2）應(yīng)變測量領(lǐng)域KnappJ等人用PVDF壓電薄膜做動態(tài)應(yīng)變測量，與箔片應(yīng)變計和半導(dǎo)體應(yīng)變計比較，PVDF壓電薄膜靈敏度高，線性好，但不適合作靜態(tài)測量[11]。Hood等人在理論和實驗中分析了PVDF壓電薄膜作為聲學(xué)傳感元件和應(yīng)變傳感元件中的傳遞函數(shù)的的響應(yīng)有著明顯一致的趨勢[12]。2002zander和RKummel用PVDF壓電薄膜粘貼在測試片上作應(yīng)變測量，將結(jié)果與應(yīng)變計測量結(jié)果進行比較[13]。2004P等人將4片方型PVDF壓電薄膜片粘貼在梁上測量梁的應(yīng)變大小，并將其轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)的聲強做為誤差信號對梁的振動進行主動控制[14]。（3）結(jié)構(gòu)模態(tài)測量領(lǐng)域LEEC.K.于1990年利用PVDF壓電薄膜有特殊的積分特性，推導(dǎo)出了PVDF的PVDF的輸出電荷正比于薄板法向位移的二次導(dǎo)數(shù)在壓電薄膜作為傳感器粘貼在懸臂梁上，通過設(shè)計PVDF的形狀，測量出了其特定的結(jié)構(gòu)模態(tài)的模態(tài)速度。進入21世紀(jì)以后，RongliangChen和Borwang在2004年利用方形PVDF壓電D和P壓電薄膜形狀傳感器測量彎曲振動梁表面的應(yīng)變，作為模態(tài)濾波器，這種類型傳感器以前的研究主要集中于經(jīng)典邊界條件下的均勻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在他們提出了用實驗方法來設(shè)計在任意邊界下不均勻歐拉—伯努利梁的PVDF壓電薄膜形狀傳感器[17]。KimJ在2002年等人將多層的PVDF壓電薄膜用做任意幾何形狀和邊界條件的二維結(jié)構(gòu)的模態(tài)傳感器[18]。（4）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域2006choi和ZhongweiJiang研制了一種新型佩戴式心肺信號傳感器設(shè)PVDF薄膜和5北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文一對導(dǎo)電織物薄板組成，并設(shè)計了信號調(diào)理電路，然后將信號經(jīng)USB通信模塊與計北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文一對導(dǎo)電織物薄板組成，并設(shè)計了信號調(diào)理電路，然后將信號經(jīng)USB通信模塊與計年JavadDargahi和RaminSedaghati利用PVDF薄膜柔軟的特點，開發(fā)了用于齒形觸覺檢查的內(nèi)窺鏡傳感器，可以對敏感性組法[20]。1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀（1）爆炸沖擊測量領(lǐng)域年席道瑛等首次用SHPB裝置對PVDF應(yīng)力計的動態(tài)應(yīng)變常數(shù)進行了標(biāo)定，并且研究了應(yīng)力波在砂巖中的衰減規(guī)律。劉劍飛和胡時勝等人在長37mmSHPB裝置上用PVDF應(yīng)力計研究了低阻抗材料沖擊壓縮力學(xué)性能[21]。溫殿英和林其文在2000年應(yīng)用沖擊加載技術(shù)，通過數(shù)值和實驗?zāi)M得到了PVDF釋放電荷的q(t)與沖擊波壓力p(t)，給出了峰值壓力pmax電荷qmax的關(guān)系，從而建立了PVDF膜的沖擊電響應(yīng)的數(shù)值模擬方法和理論模型[22]。2002年，杜曉松等人通過分析PVDF作為沖擊壓力傳感器的特點，標(biāo)定了PVDF在PVDF壓電薄膜未能研究透徹的影響因素[23]。李焰，張向榮等人于2004年對兩種厚度的國產(chǎn)PVDF壓電薄膜，用輕氣炮和激波管將沖擊加載應(yīng)力—電荷曲線進行了標(biāo)定，并與國內(nèi)外的其它若干種PVDF標(biāo)定曲線進行了對比和分析；采用同時測量質(zhì)點速度和階梯卸載的方法，研究了PVDF壓電薄膜的沖擊卸載響應(yīng)特性等特性[24]。2008年，張智丹、紀(jì)松等人研究了PVDF壓電薄膜和壓電陶瓷在沖擊載荷作用下的響應(yīng)時間、輸出線性度和靈敏度。結(jié)果表壓電薄膜在沖擊載荷為0—500MPa壓電薄膜比壓電陶瓷具有更快的響應(yīng)速度[25]。2009研究了PVDF薄膜在一維應(yīng)變下和低壓下的壓電特性，利用立式霍普金森壓桿和一級輕氣炮標(biāo)定了自制PVDF壓力傳感器的壓電曲線，實驗表明：該應(yīng)力傳感器頻響高，波形穩(wěn)定，線性度良好，擬合靈敏度系數(shù)K值在0—20MPa和100—450MPa壓力范圍分別為14.96pC/N和11.9pC/N，可以基本滿足動態(tài)沖擊應(yīng)力測試的要求[26]。（2）測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變江蘇大學(xué)的趙東升通過對PVDFPVDF壓電薄膜PVDF壓電薄膜的積分特性設(shè)計出6北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文正弦形狀和余弦形狀的傳感器，并推導(dǎo)出在遠(yuǎn)場簡諧波情況下的正弦形狀和余弦形狀北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文正弦形狀和余弦形狀的傳感器，并推導(dǎo)出在遠(yuǎn)場簡諧波情況下的正弦形狀和余弦形狀PVDFPVDF輸出信號作為所需要的振動結(jié)構(gòu)構(gòu)體積位移[28]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的具典淑利用PVDF變變化或者有裂縫產(chǎn)生時，PVDF能夠產(chǎn)生明顯的脈沖特征[29]。大連理工大學(xué)針對目前PVDF壓電薄膜在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變傳感應(yīng)用方面存在的一些缺陷，提下的PVDF輸出電壓，從而對結(jié)構(gòu)的損傷進行檢測，該方法主要優(yōu)點是操作簡單，能夠節(jié)省大量的人力物力[30]。（3）觸覺測量PVDF在觸覺測量的應(yīng)用方面主要是在機器人的機械手上面。清華大學(xué)的姜明文PVDF作為敏感元件，研制了一種能感知觸滑覺的智能假手，當(dāng)假手接觸到物體時，傳感器產(chǎn)生一個階躍響應(yīng)，而當(dāng)物體滑動時，導(dǎo)致點陣狀結(jié)構(gòu)表皮振動，產(chǎn)生交變的滑動響應(yīng)信號，這樣傳感器可以檢測并判斷出觸、滑覺信號[31]。杭州電子科技大學(xué)的羅志增教授研制了基于PVDF感器，將該傳感器裝配至機械手上，成功的進行了一系列的傳感器數(shù)據(jù)信息融合的實驗[32]。中科院合肥智能研究所的盧朝洪等人利用了PVDF壓電薄膜的壓電敏感特性，設(shè)計了一種用于機器人手爪的接觸力傳感器，該傳感器可很好地滿足機器人手爪的要求，為機器人手爪提供接觸力信息，以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠地抓取[33]。（4）醫(yī)學(xué)方面第四軍醫(yī)大學(xué)的李鴻波使用PVDF壓電薄膜制成傳感器測試人的牙齒咀嚼力及松PVDFPVDF壓電薄膜做脈像傳感器，采集和記錄人體的脈像信息，然后送雙通道數(shù)據(jù)處理單元進行數(shù)據(jù)處理，再通過微機屏幕顯示出一系列的信息[36]。山東大學(xué)王7北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文脈搏信號的仿生手診用的PVDF北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文脈搏信號的仿生手診用的PVDF驗，但還沒有達到標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化的程度[37]。1.4文章主要研究工作論文主要針對應(yīng)用于爆炸沖擊壓力測量方面的PVDF壓電薄膜傳感器進行研究。詳細(xì)分章為：壓電傳感器和PVDF壓電薄膜進行簡單的闡述，指出了PVDF后對PVDF壓電薄膜傳感器在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進行了介紹。第二章，PVDF壓電薄膜的制作。本章首先從理論方面對PVDF壓電薄膜進行研PVDFPVDFPVDF傳感器的等效電路模型和測量方法進行了研究。通過以上分析，確定了實驗室制作PVDF傳感器的工藝流程，并指出制作過程中的注意事項。第三章，PVDF傳感器的動態(tài)性測試。對PVDF傳感器的動態(tài)性測試我們采用激PVDF傳感器動態(tài)特性試驗系統(tǒng)，并進行試驗；通過動態(tài)性試驗，比較了PVDF傳感選出來性能較為優(yōu)化的制作傳感器的材料。第四章，PVDF壓電薄膜傳感器的標(biāo)定技術(shù)。本章使用落錘裝置對PVDF壓電薄膜傳感器進行標(biāo)定，通過標(biāo)定試驗，得出試驗波形、數(shù)據(jù)，通過計算擬合得到PVDFPVDF壓電薄膜傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器進行對比試驗，實驗結(jié)果表明該PVDF薄膜傳感器性能良好，可以用于工程應(yīng)用。論文的最后是對本文章所做工作的總結(jié)，并對下一步的工作進行展望。8北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章PVDF壓電薄膜傳感器的制作爆炸沖擊下測試曲面或脆性材料表面的壓力比較困難，設(shè)計一種能夠直接粘貼在材料表面的傳感器十分必要。PVDF作為新型有機聚合物材料，其壓電性能好，壓電常數(shù)d33北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章PVDF壓電薄膜傳感器的制作爆炸沖擊下測試曲面或脆性材料表面的壓力比較困難，設(shè)計一種能夠直接粘貼在材料表面的傳感器十分必要。PVDF作為新型有機聚合物材料，其壓電性能好，壓電常數(shù)d33比較高，是石英材料的十幾倍，且PVDF柔和加工性能好，機械強度高，化Gpa級?；谏鲜鰞?yōu)點，PVDF在動態(tài)壓力測量領(lǐng)域有應(yīng)用前景廣闊。為了利用PVDF傳感器測試動態(tài)壓力，首先需要制作PVDF紹了PVDFPVDF壓電薄膜傳感器的等效電路模型，通過以上幾方面的學(xué)習(xí)，可以對PVDF壓電薄膜有更全面的了解，為實驗室制作PVDF壓電薄膜傳感器打下良好的理論基礎(chǔ)。2.1PVDF壓電薄膜2.1.1PVDF壓電薄膜的結(jié)構(gòu)PVDF是一種半結(jié)晶型高聚合物壓電材料，由重復(fù)單元單體聚偏氟乙烯（CF2—CH2）的長鏈分子構(gòu)成。分子量為105個數(shù)量級，103個重復(fù)單元，伸展長度為103—104nm。PVDF通常是半結(jié)晶高聚物，結(jié)晶度約為50%，非結(jié)晶相具有過冷液體的特性，其玻璃花溫度為Tg為-35℃。目前，己測得的PVF晶型有四種[]，即I型（β相、I型（α相、I型（γ相、V型（δ相。圖2.1為PVF的四種晶型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.1 PVDF的四種晶型結(jié)構(gòu)示意圖9北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4種晶型中只有I型（β相）才具有自發(fā)極化性，β北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4種晶型中只有I型（β相）才具有自發(fā)極化性，β相是一種鐵電體相，PVDF壓電薄膜的壓電性能隨著β晶型含量的增加而增加。在β晶型中，晶體的每個晶胞中通過兩個分子鏈，分子鏈取TT構(gòu)象(平面鋸齒形)。CF2單體具有較大的偶極極化率，在分子本身與之長度成垂直方向，存在永久偶極子。CF2偶極子朝同一個方向，分子鏈在b軸方向相互平行排列，因而具有較大的自發(fā)極化性，每個單體偶極矩為7.0×10－30C·m，自發(fā)極化強度Ps為130×10－3C·m－2，具有永久極化性質(zhì)。所以I型(β相)是一種極性晶體，它受極化處理后，晶粒的b軸會更好地沿著極化方向取向，這一點是宏觀上薄膜不呈現(xiàn)極化。將薄膜附近加熱到居里點溫度，并施加高壓電場極化處理，各微晶區(qū)的極化方向依據(jù)電場方向平行取向，經(jīng)過這樣的處理后的PVDF壓電薄膜才具有壓電效應(yīng)。然而，PVDF試樣通常也是晶體和非晶體的混合物，結(jié)晶度一般在50%左右。Ⅱ型(α相)是4由液態(tài)緩慢冷卻或由溶αPVDF中偶極子相互抵消，其結(jié)晶不存在永久的極化。因而在適當(dāng)條件下，各相間可都可形成不同的晶相。Kawai當(dāng)初就是在經(jīng)單軸拉伸由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟臉O化PVDF中測量到很強的壓電效應(yīng)。目前，最常用的方法仍是單軸拉伸將α相PVDF轉(zhuǎn)變?yōu)閴弘姦孪郲39,40]。2.1.2PVDF壓電薄膜的壓電特性分析PVDF壓電薄膜的壓電特性主要取決于以下兩個方面：一是PVDF薄膜的結(jié)晶相本征壓電性。電致伸縮效應(yīng)與剩余極化效應(yīng)決定了結(jié)晶相本征壓電性，當(dāng)PVDF壓電PVDF材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的晶區(qū)與非晶相的介電常數(shù)具有不同的應(yīng)變特性，這時電致伸縮效應(yīng)會導(dǎo)致薄膜壓電性能的產(chǎn)生。應(yīng)變發(fā)生變化，PVDF壓電薄膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部的晶區(qū)極化強度也會跟著發(fā)生變化，進而壓電特性就在晶區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。二是PVDF壓電薄膜的尺寸效應(yīng)。這種效應(yīng)是指，PVDF壓電薄膜的厚度變化會產(chǎn)生壓電性，而這種壓電性產(chǎn)生的前提是偶極子為剛性。當(dāng)薄膜的厚度增加時，膜表面的誘導(dǎo)電荷會減少，反之誘導(dǎo)電荷會增加。當(dāng)PVDF用來制作傳感器時，我們主要考慮機電耦合與正壓電效應(yīng)之間的關(guān)系，對應(yīng)的壓電方程為[41]：10北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文DTE（2.1）其中： T 1T2T為應(yīng)力矩陣，且= ，下標(biāo)1、2、3同樣代表三個應(yīng)力方向，其中1，T3T4 T5 T 6T2，分別代表三個方向的正應(yīng)力，T4，T5，T6代表不同方向的剪應(yīng)力，單位是北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文DTE（2.1）其中： T 1T2T為應(yīng)力矩陣，且= ，下標(biāo)1、2、3同樣代表三個應(yīng)力方向，其中1，T3T4 T5 T 6T2，分別代表三個方向的正應(yīng)力，T4，T5，T6代表不同方向的剪應(yīng)力，單位是Pa；d為壓電常數(shù)矩陣，各元素單位是C/N；εT為自由介電常數(shù)矩陣；E為電場強度矩陣；D 1D為電位移矩陣，即面電荷矩陣，D= ，下標(biāo)1、2、3分別代表了不同的方D2 D3向。在電場強度E=0，電學(xué)輸出短路的條件下對PVDF壓電薄膜施加應(yīng)力T，那么PVDF壓電薄膜會將將外界的力學(xué)量轉(zhuǎn)化成電信號輸出，最終會在晶體表面會產(chǎn)生相應(yīng)的電響應(yīng)。因此，PVDF壓電薄膜的壓電方程可簡化為：D dT其中d是三行六列的壓電常數(shù)矩陣，如式（2.3）所示：(2.2)ddddddddddddddddd111213141516d212223242526(2.3)d363132333435經(jīng)過極化處理后的PVDF壓電薄膜壓電常數(shù)矩陣為[42]：d0000000015dd 000mn24(2.4)d0dd0313233對于PVDF壓電薄膜，設(shè)其極化方向為3，那么極化后的PVDF壓電薄膜屬于六北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文角晶系(6mm點群)，PVDF壓電薄膜的壓電方程是：1 2D0d 0000000115003北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文角晶系(6mm點群)，PVDF壓電薄膜的壓電方程是：1 2D0d 0000000115003(2.5)D d 2244Dddd003 31 32335 6PVF壓電薄膜上產(chǎn)生的最大的壓電常數(shù)是在拉伸方向產(chǎn)生壓電常數(shù)d3而最小的壓電常數(shù)則是垂直于拉伸方向的壓電常數(shù)d32PVDF壓電薄膜剪切力方向的壓電常數(shù)都為0，故PVDF壓電薄膜不能測量剪切力，這是因為PVDFPVDF的壓電方程式為：(2.6)PVDF壓電薄膜受拉伸或彎曲產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)。2.2PVDF壓電薄膜傳感器等效電路模型PVDF壓電薄膜之所以能用來制作傳感器，主要是基于該材料的正壓電效應(yīng)：如果在PVDF壓電薄膜上施加一個外力使薄膜變形，那么偶極子原來的排列狀況會因為變形而被打亂，進而破壞薄膜的電中性，暫時性的剩余電荷就會出現(xiàn)在薄膜的表面，也就是說，與所受力相對應(yīng)的電信號將會出現(xiàn)在垂直薄膜表面。實際上，PVDF壓電薄膜的形變過程只是表現(xiàn)為存在表面電荷，而不是真正產(chǎn)生電荷。經(jīng)過電荷放大器的作用，微弱的電荷信號被轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的電壓信號，供數(shù)據(jù)采集卡采集，如圖所示。12北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.2 PVDF傳感機理示意圖由以上PVDFPVDF薄膜會在其兩側(cè)有壓電晶體的兩級表面聚集電荷時，又可把它視為一個電容器，其電容量為：北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.2 PVDF傳感機理示意圖由以上PVDFPVDF薄膜會在其兩側(cè)有壓電晶體的兩級表面聚集電荷時，又可把它視為一個電容器，其電容量為：0AC(2.7)ah式中：ε——壓電材料介電常數(shù)，F(xiàn)/m；A——薄膜面積，m2；H——薄膜厚度，m。因為該傳感器即可等效為電容器又可以等效為電荷源，所以可以把PVDF傳感器等效為一個電荷源與電容器相并聯(lián)的電荷等效電路，如圖2.3所示。開路狀態(tài)時輸出端電荷為Q(2.8)圖2.3PVDF壓電薄膜傳感器的電荷等效電路其中Ra為PVDF壓電薄膜傳感器的泄漏電阻，是指壓電元件內(nèi)部及其在空氣中13北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文存在的電荷泄漏。在實際工作時，要利用電纜將PVDF壓電傳感器接入測量線路（這樣就引入了電纜分布電容Cc）測量放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文存在的電荷泄漏。在實際工作時，要利用電纜將PVDF壓電傳感器接入測量線路（這樣就引入了電纜分布電容Cc）測量放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci2.4所示的完整等效電路。圖2.4 PVDF壓電薄膜傳感器完整等效電路2.3PVDF壓電薄膜傳感器的測量方法從以上分析可知，PVDF壓電薄膜實際上等效于一個電容電路模型，當(dāng)PVDF薄膜受到拉伸或彎曲變形時，電容中的電荷量會產(chǎn)生變化，因此以該薄膜制作的傳感器的測量電路一般要和一個輸入阻抗較高的前置放大器相連接，這是因為PVDF壓電薄放大傳感器輸出的較小信號；第二，把前置放大器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗。由于PVDF壓電薄膜傳感器的輸出可能是電荷輸出，也可能是電壓輸出，所以對應(yīng)的電荷放大器既可以是電荷放大器，也可以是電壓放大器[43]。下面主要介紹以上兩種放大模式。（1）電荷放大模式電荷放大器實際上是一個具有深度電容負(fù)反饋的高增益運算放大器，如圖（2.5）所示。當(dāng)放大器反饋電阻、輸入電阻和開環(huán)增益相當(dāng)大時，放大器的輸出電壓Uout與輸入電荷q成正比，即U(2.9)CCCKacif式中各個參數(shù)的含義：K—放大器的開環(huán)增益；14北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文Ca—PVDF壓電薄膜傳感器的電容；Cc—電纜電容；Ci—放大器的輸入電容；Cf—北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文Ca—PVDF壓電薄膜傳感器的電容；Cc—電纜電容；Ci—放大器的輸入電容；Cf—放大器的反饋電容。如果放大器的開環(huán)增益K足夠大，那么(1+K)Cf>>Ca+Cc+Ci，這樣上式就可以寫為(2.10)qUCf范圍在100～10000pF的可選擇反饋電容。前置級的輸出大小可以通過選擇不同電容常會并聯(lián)一個能夠提供直流反饋的電阻大約這樣既可以減小零漂，又可以提高放大器的工作穩(wěn)定性。圖2.5 PVDF壓電薄膜傳感器與電荷放大器等效電路－6電荷放大器的上限頻率為100KHz，下限截止頻率fL為10 Hz，時間常數(shù)RfCf相當(dāng)（105s以上輸出阻抗小于100歐姆因此PVF壓電薄膜傳感器和電荷放有效的測量。15北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文(2)電壓放大模式下圖為PVDF壓電薄膜傳感器與電壓放大器配套使用時的等效電路。等效電阻R為RaRiR(2.11)RaRi圖2.6 PVDF壓電薄膜傳感器與電壓放大器連接的等效電路等效電容為CCe Ci(2.12)假設(shè)d3方向北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文(2)電壓放大模式下圖為PVDF壓電薄膜傳感器與電壓放大器配套使用時的等效電路。等效電阻R為RaRiR(2.11)RaRi圖2.6 PVDF壓電薄膜傳感器與電壓放大器連接的等效電路等效電容為CCe Ci(2.12)假設(shè)d3方向的應(yīng)變力就是作用在PVF壓電薄膜上的力那么在PVDF壓電薄膜上產(chǎn)生的電壓值為dFsinqU 33m (2.13)aCCaa繼而得到前置放大器的輸入電壓幅值Uinm為dFR33mU(2.14)1R2C2CCaei在理想情況下，假設(shè)放大器的輸入阻抗Ri和傳感器的絕緣電阻Ra都趨近于無窮放大器的輸入電壓的幅值Uam為16北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文dF33m(2.15)CaCeCi2.4傳感器的制作通過以上對PVDFPVDF電特性、等效電路模型及傳感器的為制作PVDF北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文dF33m(2.15)CaCeCi2.4傳感器的制作通過以上對PVDFPVDF電特性、等效電路模型及傳感器的為制作PVDF傳感器打下了良好的基礎(chǔ)。2.4.1實驗材料的準(zhǔn)備通過對PVDF材料的壓電特性、等效模型的分析，對其特征有所掌握，因此針對其特征，課題中通過選用錦州科信電子材料有限公司生產(chǎn)的PVDF壓電薄膜來制作用于爆炸沖擊力測試的薄膜傳感器。該PVDF壓電薄膜的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表2.1所示。表2.1PVDF壓電薄膜的主要技術(shù)性能指標(biāo)參數(shù)性能指標(biāo)壓電應(yīng)變常數(shù)d33相對介電常數(shù)(ε/ε0)21±1PC/N9.5±1.0(1KHz)聲速C2000m/s機電耦合系數(shù)K33體積電阻率R熱釋電系數(shù)P探測靈敏度(4Hz)10~14％1013Ω.cm340c/cm2.K表面電阻使用溫度T密度ρ－40~80℃1.78×10Kg/m3彈性模量2.5—3GPa錦州科信電子材料有限公司生產(chǎn)的PVDF壓電薄膜是由鋁電極和敏感材料組成的三明治結(jié)構(gòu)。如圖2.7所示。17北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.7 PVDF壓電薄膜示意圖由于PVDF薄膜表面電極很薄，所以不能用常規(guī)的焊接方式將電極引出，本課題將通過使用導(dǎo)電銀膠的方法把電極用導(dǎo)線引出。常溫固化導(dǎo)電銀膠的的參數(shù)如表所示。2.2表2.2常溫固化導(dǎo)電銀膠的的參數(shù)參數(shù)單位或條件組分A、B雙組份外觀銀灰色粘稠狀膏狀混合質(zhì)量比1:1固化時間65℃/60min抗彎強度5.5MPa(12200Psi)25℃剪切強度(鋁到鋁)5.5MPa(800北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.7 PVDF壓電薄膜示意圖由于PVDF薄膜表面電極很薄，所以不能用常規(guī)的焊接方式將電極引出，本課題將通過使用導(dǎo)電銀膠的方法把電極用導(dǎo)線引出。常溫固化導(dǎo)電銀膠的的參數(shù)如表所示。2.2表2.2常溫固化導(dǎo)電銀膠的的參數(shù)參數(shù)單位或條件組分A、B雙組份外觀銀灰色粘稠狀膏狀混合質(zhì)量比1:1固化時間65℃/60min抗彎強度5.5MPa(12200Psi)25℃剪切強度(鋁到鋁)5.5MPa(800Psi)36×10－6/℃線導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱率7.2W/m.K使用溫度范圍－40℃—150℃20℃體積電阻率0.002Ohm-cm由表可以看出，當(dāng)導(dǎo)電銀膠在常溫下固化后，其剪切拉伸強度高達0.7MPa（每平方英寸超過1000磅，而它的體積電阻率卻只有0.0001.m3。因此，由導(dǎo)電銀膠可在常溫下固化，完全滿足制作PVDF壓電薄膜傳感器的需要。除了上述材料外，制作傳感器前還應(yīng)準(zhǔn)備好薄銅片、銅導(dǎo)線、剪刀、丙酮、和封裝材料等。18北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2.4.2傳感器的結(jié)構(gòu)所研制傳感器需要粘貼在曲面材料或脆性材料的表面，用來測定表面材料受到的沖擊力，所以首先要把PVDF薄膜做成傳感器的感芯。使用的北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2.4.2傳感器的結(jié)構(gòu)所研制傳感器需要粘貼在曲面材料或脆性材料的表面，用來測定表面材料受到的沖擊力，所以首先要把PVDF薄膜做成傳感器的感芯。使用的PVDF壓電薄膜是由上下鋁電極和中間PVDF敏感材料組成的三明治結(jié)構(gòu)。試驗中剪裁下一定面積的薄膜材料作為感芯，由于表面鋁電極很薄且PVDF薄膜承受的溫度不能超過圖2.8所示。圖2.8 PVDF壓電薄膜傳感器的感芯結(jié)構(gòu)示意圖層。2.4.3傳感器的制作工藝PVDF壓電薄膜作為敏感材料，有很多的優(yōu)點，性能優(yōu)異，有很大的發(fā)展空間，但是PVDF壓電薄膜很薄，在μm量級，質(zhì)地脆弱，抗剪能力差，并且電極涂在外表外，PVDF薄膜還容易受到外界電子干擾，對實驗結(jié)果有較大的影響。因此，必須采取有效的封裝措施對敏感材料加以保護，提高它的耐久性和穩(wěn)定性。由于實驗需要和薄膜本身的性質(zhì)，要求封裝材料及工藝必須能保證PVDF壓電薄力能夠有效的傳遞到PVDF壓電薄膜上。實驗室中制作PVF薄膜傳感器的工藝流程主要包括薄膜形狀的確定薄膜切割、邊緣化處理、電極的引出、加保護層等步驟，具體實驗流程如圖所示。19北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.9 實驗室制作PVDF薄膜傳感器的工藝流程（1）薄膜形狀確定北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.9 實驗室制作PVDF薄膜傳感器的工藝流程（1）薄膜形狀確定在本課題中將PVDF薄膜形狀剪切為Φ10mm圓形和5×10mm2感芯和方形感芯對傳感器性能的影響，使用的PVDF壓電薄膜的厚度分別為30um、50um、100um。（2）薄膜切割在剪裁PVDF壓電薄膜時要注意其極化方向與所設(shè)計傳感器方向一致。由于圓形PVDF薄膜比較難切割，所以我們是委托北京工業(yè)大學(xué)激光研究實驗室用激光切割技術(shù)加工的圓形膜片。方形PVDFPVDF壓電薄膜上用鉛筆輕輕地標(biāo)記出所設(shè)計的薄膜形狀，此時標(biāo)記出的形狀要比需要的形狀稍大一點，留出非金屬化邊緣和引出電極的部分。根據(jù)標(biāo)出的尺寸用鋒利的剪刀剪裁，剪裁時無法避免的會造成人為誤差，因此用游標(biāo)卡尺對裁剪下的薄膜進行二次測量，以確保薄膜尺寸的精確。切割后，薄膜表面的鋁電極在剪裁過程中很容易出現(xiàn)毛刺，可能會導(dǎo)致PVDF壓量注意薄膜邊緣的平整度。(3)非金屬化邊緣實現(xiàn)PVDF壓電薄膜的非金屬化邊緣處理，最后用萬能表檢測處理過的薄膜是否會發(fā)生短路。(4)引出電極由于PVDFPVDF壓電薄膜中將采用導(dǎo)電銀膠把PVDF壓電薄膜和薄銅片粘接的的方式引出電極，采取同向反面引出PVDF壓電薄膜的上下兩電極面的方法。20加保護層引出電極非金屬化邊緣薄膜切割薄膜形狀的確北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文會因為導(dǎo)電銀膠和銅導(dǎo)線的粘著面積較小而使得粘著力不夠，進而影響自制傳感器的北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文會因為導(dǎo)電銀膠和銅導(dǎo)線的粘著面積較小而使得粘著力不夠，進而影響自制傳感器的把PVDF壓電薄膜和銅箔表面清洗干凈。與PVDF壓電薄膜接觸的薄銅箔的面積是3×5mm2，露出電極的薄銅箔則可以剪裁的盡可能的細(xì)，這樣既可以PVDF壓電薄膜和屏蔽線之間的距離，使得電荷信號受強了引出導(dǎo)線的粘著度。實驗中采用的是AB雙組份的導(dǎo)電銀膠，在使用導(dǎo)電銀膠時，首先在室溫下放置20分鐘左右，等到其軟化后分別用兩只丙酮清洗過的玻璃棒從裝有A組份和B組份的瓶中取出A、B兩種組份，然后用天平稱重，使得兩種組分的質(zhì)量相等。把取出的質(zhì)量相等的A組份和B組份放在干凈的玻璃片上用玻璃棒混合，取適量的混合后的避免上下電極發(fā)生短路，導(dǎo)電銀膠涂抹的越薄越好。最后把粘合好的PVDF壓電薄膜和薄銅片放在常溫下固化，這就完成了電極的引出步驟。（5）加保護層由于本課題中的PVDF造成電極損壞，需要在壓電薄膜傳感器的兩面加保護層。為了不影響傳感器的性能，選擇聚酰亞胺和聚對苯二甲酸類塑料（PET）兩種絕緣材料對傳感器進行封裝，保護層和壓電薄膜傳感器之間用環(huán)氧樹脂膠進行粘結(jié)。這樣也可以避免傳感器在使用過程中出現(xiàn)褶皺，保持較好的平整度。最后，在上下兩用絕緣膠帶粘貼住薄銅片與銅導(dǎo)線的焊接處。21北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.10 PVDF壓電薄膜傳感器為了測試不同因素對傳感器性能的影響，制作的傳感器使用北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.10 PVDF壓電薄膜傳感器為了測試不同因素對傳感器性能的影響，制作的傳感器使用不同厚度的PVDF薄膜，薄膜的形狀為Φ10mm2圓形和5×10mm2方形，絕緣膠為室溫2.4.4制作過程中的注意事項因為PVDF壓電薄膜本身是具有容性的，所以它的抗電磁干擾能力比較弱，在數(shù)可以采取使用同軸電纜和加屏蔽件的方法。對PVDF壓電薄膜進行非金屬化邊緣，引出電極上下錯開以及涂抹導(dǎo)電銀膠是要盡量的薄，這些措施都是為了防止傳感器在厚度方向上發(fā)生短路。短路情況。22北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2.5本章總結(jié)本章首先從理論方面對北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2.5本章總結(jié)本章首先從理論方面對PVDFPVDF壓電薄膜的PVDF傳感器的等效電路模型、測量方法進行了分析，制定了PVDF傳感器的實驗室制作工藝，包括薄膜形狀的確定、薄膜切割、非金屬化邊緣、PVDF傳感器過程中的注意事項進行了總結(jié)。23北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章PVDF薄膜傳感器的動態(tài)性測試由于本課題研究的PVDF北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章PVDF薄膜傳感器的動態(tài)性測試由于本課題研究的PVDFPVDF傳感器的動態(tài)性能的進行研究。在PVDF薄膜已經(jīng)選定的來，從而根據(jù)其動態(tài)性特征進行合理利用。3.1PVDF壓電薄膜傳感器的時域動態(tài)性能指標(biāo)在對傳感器系統(tǒng)進行動態(tài)校準(zhǔn)前，首先要選擇適當(dāng)?shù)募钚盘栕鳛閭鞲衅鞯妮斎胄盘枴討B(tài)測試目的是為了獲得傳感器系統(tǒng)的動態(tài)特性，對動態(tài)激勵信號的要求，主要是所選用的動態(tài)激勵信號能將被傳感器的全部模態(tài)都激發(fā)出來，即其頻譜寬度應(yīng)大于被校準(zhǔn)壓力傳感器的通頻帶，以便能得到壓力傳感器的完整的動態(tài)響應(yīng)。因此，考察傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，其激勵源加載到標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器上的特征波形如圖所示：圖3.1 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器輸出的動態(tài)壓力信號24北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文的響應(yīng)曲線還具有直觀、可比性強的特點。圖3.2 單位階躍過渡過程對類似如圖3.2北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文的響應(yīng)曲線還具有直觀、可比性強的特點。圖3.2 單位階躍過渡過程對類似如圖3.2所示衰減振蕩的單位階躍響應(yīng)，動態(tài)性能指標(biāo)通常定義為：響應(yīng)速度的一種度量，從另一角度看，也反映了波形傳遞的失真度，上升時間越長，響應(yīng)速度越慢，失真越大；（2）峰值時間tp：指響應(yīng)超過終值到達第一個峰值所需的時間。（3）調(diào)節(jié)時間ts：指響應(yīng)到達并保持在終值±95%(或±98%)內(nèi)所需的最短時間，或稱為響應(yīng)時間。（4）超調(diào)量σ：指響應(yīng)的最大偏離量與終值之差的百分比，即th ) p h(3.1)上述四個動態(tài)性能指標(biāo)，基本上可以體現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)過程的時域特征。通常用tr、tp評價系統(tǒng)響應(yīng)初始段的快慢；用σ評價系統(tǒng)的阻尼程度，反映系統(tǒng)響應(yīng)過程的平穩(wěn)性；而st是同時反映響應(yīng)速度和阻尼程度的綜合性指標(biāo)。25北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文躍響應(yīng)光滑整齊，所以在這種曲線上計算時域動態(tài)性能指標(biāo)才比較合理。3.2激波管裝置對PVDF傳感器動態(tài)測試方案北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文躍響應(yīng)光滑整齊，所以在這種曲線上計算時域動態(tài)性能指標(biāo)才比較合理。3.2激波管裝置對PVDF傳感器動態(tài)測試方案目前，沖擊加載試驗方案主要有：輕氣炮裝置，壓力最大可達到35GPa以上；Hopkinson壓桿，其壓力上升時間為十幾到幾十微妙，可達到的最大壓力為500MPa為200MPa左右；激波管，它能提供上升時間極短的階躍壓力，對分析傳感器的動態(tài)PVDF壓電薄膜傳感器進行動態(tài)測試試驗。3.2.1激波管裝置簡介圖3.3為一種激波管階躍力發(fā)生裝置，高壓氣源經(jīng)減壓器通向高壓段，調(diào)節(jié)減壓器使它的出口壓力逐漸增高。當(dāng)高壓段壓力升高到一定值時，膜片受壓破裂，從而在低壓段形成激波，它以很高的速度沿低壓段方向傳播，并在激波前后形成很理想的壓力階躍，被測試的PVDF傳感器安裝在低壓段的尾部端面上，受到正階躍力的作用。采用這種方案在小壓力值時可實現(xiàn)較陡峭時延的正階躍信號，但很難實現(xiàn)大力值。其時間大于5ms，其激波介質(zhì)多數(shù)是氣體的，也有水激波式，設(shè)備簡單，使用方便。圖3.3 激波管示意圖PVDF傳感器屬于小阻尼線性系統(tǒng)，它對階躍壓力信號的響應(yīng)為振幅衰減至穩(wěn)定輸出的振蕩信號。用于沖擊波測試系統(tǒng)校準(zhǔn)的激勵，其帶寬至少要達100KHz，因為裝置。它有三大特點（1）壓力幅值范圍廣，便于改變壓力值（2）頻率范圍寬26北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文（2Kz~2.5MHz，可充分覆蓋被校壓力傳感器的各種模態(tài)（3）便于分析和處理實沖擊波同屬激波信號，有利于校準(zhǔn)與實測保持一致。3.2.2激波管階躍壓力波的性質(zhì)激波管產(chǎn)生的典型波形如圖3.43間Rt及持續(xù)時間τ北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文（2Kz~2.5MHz，可充分覆蓋被校壓力傳感器的各種模態(tài)（3）便于分析和處理實沖擊波同屬激波信號，有利于校準(zhǔn)與實測保持一致。3.2.2激波管階躍壓力波的性質(zhì)激波管產(chǎn)生的典型波形如圖3.43間Rt及持續(xù)時間τ。當(dāng)時間t＞(tR+τ)以后，實際標(biāo)定中用不著，故不去研究。圖3.4激波階躍壓力信號（1）上升時間tR將決定能標(biāo)定的上限頻率。若tR大，階躍波中所含高頻分量必然相應(yīng)減少。通常采用tR為正弦波的四分之一周期來估算階躍波形的上限頻率：T1tR4(3.2)式中fmax、Tmin為階躍波頻譜中的上限頻率及其周期。實驗證明，激波管產(chǎn)生的階躍波，通常其上升時間tR<710s，因此，上限頻率可達2.5MHz。而被測試PVDF傳感器的固有頻率低于1MHz，所以可完全滿足要求。（2）持續(xù)時間τ將決定可能標(biāo)定的最低頻率，標(biāo)定時在階躍波激勵下傳感器將10τ可用下式表示f(3.3)從精度和可靠性出發(fā)，τ盡可能大些為好。一般激波管τ=5~10ms，因此可標(biāo)定27北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文的下限頻率fmin>2KHz。一般壓阻式壓力傳感器在2KHz北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文的下限頻率fmin>2KHz。一般壓阻式壓力傳感器在2KHz頻率以下，都具有良好的平傳感器校準(zhǔn)的頻率要求。3.2.3試驗系統(tǒng)的建立激波管用于PVDF傳感器動態(tài)測試時，激波管產(chǎn)生一個階躍壓力作為標(biāo)準(zhǔn)信號加載在標(biāo)準(zhǔn)傳感器和PVDF傳感器上，通過對傳感器的輸出響應(yīng)來分析壓力傳感器的實3.5是激波管動態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的典型的階躍壓力信號，人們利用第一個脈沖作用在壓力傳感器上產(chǎn)生的響應(yīng)來校準(zhǔn)和分析壓力傳感器的特性圖3.5激波管產(chǎn)生的階躍壓力信號本課題構(gòu)建了以激波管為激勵源的動態(tài)特性試驗系統(tǒng)，其試驗系統(tǒng)構(gòu)成主要由PVDF壓電薄膜傳感器、標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、電荷放大器、信號調(diào)理器、激波管、示波構(gòu)面板上產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊載荷，PVDF壓電薄膜傳感器和標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器感受到階躍壓力而產(chǎn)生信號，通過信號采集系統(tǒng)得到相應(yīng)的曲線，通過比較標(biāo)準(zhǔn)傳感器和PVDF傳感器的響應(yīng)信號對傳感器的性能進行研究和分析。粘貼在三腳架結(jié)構(gòu)上的PVDF壓電薄膜傳感器將結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的局部應(yīng)變響應(yīng)轉(zhuǎn)換成電荷信號輸出，由于產(chǎn)生的電荷信號十分微弱，因此需要使用電荷放大器將PVDF理器對標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的產(chǎn)生的電壓信號進行放大。PVDF壓電薄膜傳感器和標(biāo)準(zhǔn)壓行分析。試驗系統(tǒng)配置圖如圖（3.6）—圖（3.9）所示。試驗使用電荷放大器是京儀28北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文北方公司測振分公司的DHF—4型號的電荷放大器。標(biāo)準(zhǔn)傳感器連接的信號調(diào)理器是傳感器廠家直配的信號調(diào)理器。示波器使用的是公司的TDS5054B北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文北方公司測振分公司的DHF—4型號的電荷放大器。標(biāo)準(zhǔn)傳感器連接的信號調(diào)理器是傳感器廠家直配的信號調(diào)理器。示波器使用的是公司的TDS5054B數(shù)字熒45GS/s最大實時取樣速率，標(biāo)配8MB的記錄長度（可擴充至16MB的記錄長度，100000波形捕獲速率。wfms/s最大圖3.6 試驗系統(tǒng)整體圖圖3.7 29北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.8傳感器位置圖圖3.9傳感器安裝圖30北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.8傳感器位置圖圖3.9傳感器安裝圖30北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文3.3激波管裝置對PVDF傳感器的動態(tài)特性測試過程及數(shù)據(jù)分析3.3.1北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文3.3激波管裝置對PVDF傳感器的動態(tài)特性測試過程及數(shù)據(jù)分析3.3.1實驗過程(1)首先把標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器固定在設(shè)計好的鋼結(jié)構(gòu)三腳應(yīng)與激波管的中心軸對齊。(2)然后將PVDF壓電薄膜傳感器電纜接到電荷放大器DHF—4的輸入端，將DHF—4電荷放大器的輸出端電纜接到示波器CH2的輸入端，并將其上限頻率置于100KHz，靈敏度設(shè)在10pc/unit。把標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器電纜接到信號調(diào)理器的輸入端，將信號調(diào)理器的輸出端電纜接到示波器CH1的輸入端。將激波管測速傳感器電纜接到示波器的CH3200mv左右即可。給激波管安裝膜片，打開激波管充氣閥門，壓力可上升至1Mpa左右時破膜，記錄下曲線。(4)按下示波器上的“CURSOR”按鈕，用光標(biāo)讀出CH1和CH2通道壓力躍起的時間差△t，兩個壓力傳感器輸出的瞬態(tài)壓力值，然后讀出CH3通道激波傳過兩個計時傳感器之間的時間。測量激波管兩個計時傳感器之間的距離△x，鋼結(jié)構(gòu)三腳架和激波管末端口之間的距離，記錄下室溫，由此計算出激波速度和激波馬赫數(shù)Ms。3.3.2實驗數(shù)據(jù)處理及分析為了制作性能最優(yōu)的PVDFPVDF粘膠，封裝材料四個有可能影響傳感器性能的因素對制作的傳感器進行研究。因此，我們做了以下四組實驗。1.比較形狀采用的PVDF壓電薄膜的感芯形狀是5×10mm2方形和Φ10mm圓形這兩種形狀。研究PVDFPVDF壓電薄膜的厚度、絕緣粘膠、封裝材料這幾個方面保持一致，PVDF壓電薄膜的形狀是唯一變量。31北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.10 5×10mm2方形北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.10 5×10mm2方形PVDF薄膜敏感面?zhèn)鞲衅鞯脑疾ㄐ螆D圖3.11 5×10mm2方形PVDF薄膜敏感面?zhèn)鞲衅鞯姆糯蟛ㄐ螆D32北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.12Φ10mm圓形PVDF北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.12Φ10mm圓形PVDF薄膜感芯傳感器的原始波形圖圖3.13Φ10mm圓形PVDF薄膜感芯傳感器的放大波形圖33北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文5×10mm2方形PVDF薄膜感芯傳感器的指標(biāo)表3.3參數(shù)1234平均值標(biāo)準(zhǔn)差電壓(V)1.321.311.301.331.3150.012909944延遲時間(us)5.4435.0610.356598163爬坡時間（us）63299316表3.4Φ10mm圓形PVDF薄膜感芯傳感器的指標(biāo)參數(shù)1234平均值標(biāo)準(zhǔn)差電壓(V)0.5150.8950.8350.5550.70.192786583延遲時間(us)4.6250.5591650774.24.0875.0825.134北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文5×10mm2方形PVDF薄膜感芯傳感器的指標(biāo)表3.3參數(shù)1234平均值標(biāo)準(zhǔn)差電壓(V)1.321.311.301.331.3150.012909944延遲時間(us)5.4435.0610.356598163爬坡時間（us）63299316表3.4Φ10mm圓形PVDF薄膜感芯傳感器的指標(biāo)參數(shù)1234平均值標(biāo)準(zhǔn)差電壓(V)0.5150.8950.8350.5550.70.192786583延遲時間(us)4.6250.5591650774.24.0875.0825.134爬坡時間（us）2.9583.4713.6753.5233.4070.311435788方形薄膜敏感面的傳感圓形PVDFPVDF壓電薄膜的形狀有很大的關(guān)系。一般在受到?jīng)_擊力時，傳感器首先有一個比較大的起跳，在壓力衰減的過程中，傳感器也會跟著發(fā)生震蕩，但震蕩的幅度不會超過一開始的起跳波形的幅度。由兩個傳感器的指標(biāo)可以看出，采用5×10mm2方形PVDF薄膜感芯制作的傳感間相差不大，其中5×10mm2方形PVDF薄膜感芯制作的傳感器的延遲時間離散程度圓形兩種形狀的PVDF壓電薄膜制作的傳感器的爬坡時間相差不大，5×10mm2方形PVDF薄膜感芯制作的傳感器散差較小。綜上，所以我們選取5×10mm2方形PVDF薄膜作為傳感器的感芯。2.比較厚度PVDF壓電薄膜的厚度有30um、50um、100um三種類型，在研究薄膜厚度時，制作的傳感器在薄膜形狀、絕緣粘膠、封裝材料方面均報保持一致，PVDF壓電薄膜的厚度是唯一變量。34北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.1430um厚度PVDF北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.1430um厚度PVDF壓電薄膜制作的傳感器的原始波圖3.15 30um厚度PVDF壓電薄膜制作的傳感器的放大波形圖35北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.1650um厚度PVDF北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.1650um厚度PVDF壓電薄膜制作的傳感器的原始波形圖圖3.1750um厚度PVDF壓電薄膜制作的傳感器的放大波形圖36北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.18100um厚度PVDF北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.18100um厚度PVDF壓電薄膜制作的傳感器的原始波形圖圖