1、第 1 页 共 41 页压电薄膜传感器在药内应力测试中的应用研究摘要：压电薄膜传感器是以压电效应为基础，在外力作用下，产生电荷，从而实现非电量的电测。PVDF 压电薄膜传感器具有良好的线性压电关系而且频带宽、噪音小、灵敏度高 ,响应速度很快(ns 量级)，能够及时准确地捕捉药内部应力信号，可以满足应力动态测试信号的各项要求。PVDF 压电薄膜传感器测试系统是对药内应力响应进行实时监测。布置在药内的 PVDF 压电薄膜传感器将结构的局部应力响应转换成电荷信号输出，深入研究输出电荷与应力之间的关系及决定灵敏度的因素。由于电荷信号较弱，经电荷放大器转放大换成电压信号，再通过低通滤波器除去干扰，根据选
2、择的传感器的频率范围设定电路参数。再用 A/D 转换器将模拟电压信号转换成计算机可处理的数字信号，根据输出的电压信号可以得到药内应力的分布。关键词：压电薄膜传感器，电荷放大器第 2 页 共 41 页Within the piezoelectric film sensor in the drug study Stress Test第 3 页 共 41 页Abstract: The piezoelectric film sensor is based on the piezoelectric effect, the external force, resulting in charge, in o
3、rder to achieve non-electric power measurements. PVDF piezoelectric film sensor has a good relationship between the linear piezoelectric and frequency bandwidth, low noise, high sensitivity, fast response (ns order of magnitude), to capture timely and accurate drug internal stress signals, test sign
4、als to meet the dynamic stress requirements. PVDF piezoelectric film sensor is a drug testing system for real-time monitoring of the stress response. Arrangement in the drug within the structure of PVDF piezoelectric film sensor to convert the local stress response to charge signal output, the outpu
5、t charge and stress-depth study of the relationship between the sensitivity of the factors and decisions. As the charge signal is weak, replaced by the charge amplifier transfer amplified voltage signal, then through a low pass filter to remove interference, depending on the chosen frequency range o
6、f the sensor circuit parameters set. Then A / D converter analog voltage signals into digital signals the computer can handle, according to the output voltage signal can be the stress distribution within medicine. . Keywords: piezoelectric thin film sensor, charge amplifier第 4 页 共 41 页1 引言11 论文的研究背景
7、及解决方案传感器技术是当今世界上发达国家普遍重视并大力发展的高新技术之一。人类社会步入信息时代的今天，传感器技术已成为现代信息技术中必不可缺少的主要技术一切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统中要获取信息都要通过传感器转换为容易传输与处理的信号。传感器是将测量到的量转化成与之有对应关系的，便于采集和处理的量的输出器件或装置。国际电工委员会(IEe:InternatinalElectrotechnicalCommittee)的定义为:“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。 ”国际标准(GB665 一 87)中对传感器的定义是:能感受规定的被测量并按照
8、一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转化成适于传输和测量的电信号部分。传感器应该满足以下要求:1)与基体材料的相容性要好，对结构的性能影响要小;2)频率响应要宽，性能稳定、可靠、抗干扰能力强;3)能在结构的使用环境下正常工作。压电式传感器是一种典型的有源传感器，其工作原理是基于压电效应，即压电材料在外力的作用下，其电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量的转换。压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为
9、力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应力传感器，非常适合应用于药内信号监测 1。 当压电聚偏氟乙烯 PVDF 高分子膜（压电薄膜）受到力的作用时，薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉压或弯曲的力成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小第 5 页 共 41 页的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电
10、薄膜对动态应力非常敏感，28m 厚的 PVDF 的灵敏度典型值为 10 15mV /微应变（长度的百万分率变化）。“国内从 20 世纪80 年代开始研制 PVDF 压电压电薄膜，目前已有两种 PVDF 压电膜可供使用。一种是厚膜型，厚度在 150 m 以上。这种膜由于厚度较大，频响较低，适用于低频探测，如水声探测等；另一种是薄膜型，厚度在 2040 ，由于厚度薄、频um响高，适用于高频测量，其典型应用是爆炸冲击测量。中国兵器工业集团第五三研究所经过近 20 年的努力，以国产 PVDF 树脂为原材料，经特殊工艺研制成的薄型化 PVDF 膜，厚度在 20-60um，d33 达到 25pC/N，且具
11、有较好的均匀型和一致性。已在炮弹引信冲击加速度传感器、水声探测、激光能量探测等领域获得应用。在爆炸冲击测量领域，这种薄型化的 PVDF 压电薄膜已显示出良好的应用价值。席道瑛等用 Hopkinson 压杆对 PVDF 压电计进行了动态标定及其频响特性研究，利用 PVDF 压电计的标定结果测出了铝和岩石的应力衰减特性。结果表明，在所使用应力范围内，PVDF 压电计具有良好的线性压电关系，而且频带宽、噪音小、灵敏度高。刘剑飞等将 PVDF 压电计应用于低阻抗介质动态力学性能测试中。结果表明，这种测试避免了常规 Hopkinson 压杆方法的缺点，试验结果更准确地反映了实时冲击波的特点，具有更高的精
12、确度。中国工程物理研究院亦在应用PVDF 压电计进行爆破冲击波的测量。结果表明，其在测试冲击波到达时间和峰值强度方面 PVDF 压电计有其它传感器无可比拟的优点。PVDF 压电薄膜是一种优良的传感材料，在工业自动化、仪器仪表、医疗器具、爆炸冲击测量等领域有着广阔的应用前景。为了缩小与发达国家的差距，我国应集中人力物力，进一步开展 PVDF 压电薄膜的材料研究、应用研究和开始工作 2。根据以上资料，要测冲击过载下顿感炸药内部应力的分布情况，我选用 PVDF 压电薄膜传感器。通常情况下，振动测量时使用的传感器主要有压力传感器、速度传感器和加速度传感器，其中压电加速度传感器是在振动测试中使用最为广泛
13、的传感器。在进行振动检测时，人们关心拾取被检信号的准确性，这就要求压电加速度传感器的一些性能指标如灵敏度要大，有一定的频宽范围，且其它影响因素要小。在高速撞击条件下，界面物理量的测试越来越受到重视，特别是冲击载荷、界面间压力变化等。这些物理量在多数情况下，由于测点的局限性和结构的复杂性，难以第 6 页 共 41 页通过所测得的应力进行换算，需要采取一定的手段进行直接测试。为满足上述要求，目前测试技术上可以从压电性材料入手研究。所谓压电性(piezoelectricity)指的是电介质在压力作用下发生极化而在两端表面上产生符号相反的电荷的性质，作用力的方向改变，电荷的极性也随着改变，当外力去掉后
14、，该电介质又重新恢复到不带电的状态。在动力学的研究中，界面与界面之间压力、撞击载荷随时间的变化等的测试一直是一个难题，PVDF 压电特性的发现为解决这一难题提供了可能。随着高科技技术的迅速发展，国防军工事业也有了突飞猛进，测试技术在军工事业中得到了普遍的应用。测试技术是测量技术及实验技术的总称。定量地描述事物的状态变化和特征总离不开测试。简言之，测试是依靠一定的科学技术手段定量地获取 某种研究对象原始信息的过程。这里所讲的“信息”是指事物的状态或属性，如炸药内部的应力的分布。测试系统是一种能将被测参数转换成可以直接观测指示或的等效信息的测试设备。 “动态应力”这个术语是因为形变产生的电荷会从与
15、薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势所在。薄膜只感受到应力的变化量，最低响应频率可达 0.1Hz。压电薄膜很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，因此可以广泛应用于军用传感器，尤其是需要探测细微的信号时。显然，该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出（在某些结构中，甚至还可以产生少量的能量）。而且压电薄膜极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。测试是获取结构真实动态特性的重要手段之一 3.本课题中，选用 PVDF 压电薄膜传感器，通过测试的手段，设计应力测试电路，根据读取的电信号从而获得冲击过载下炸药内部应力的分布情况。1.2 国
16、内外研究现状1.2.1 压电材料的发展及特点自 1880 年法国的物理学家居里兄弟发现石英晶体具有压电效应至今，人类发现了多种具有压电效应的材料，包括石英晶体、压电陶瓷及压电聚合物等，主要特性如下 45：石英：石英晶体属于无对称中心的晶体，当它在某一方向受压时，电平衡被第 7 页 共 41 页破坏，而产生压电效应。石英晶体压电系数较小，大多在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中用作压电元件。压电陶瓷：压电陶瓷是抑制经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，即需要无数细微的单晶组成，所谓“铁电体”，其具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一个电畴，无数个单晶电畴的无规律排
17、列，使原始的压电陶瓷不具有压电效应。为使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理，即在一定的温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向电场方向做规则排列，经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去除后，其内部仍存在很强的剩余极化强度。压电陶瓷由于压电效应强，居里温度高，各项极大参数受温度和时间等外界因素的影响较小，因此，它是目前使用最为普遍的一种压电材料。压电聚合物：压电聚合物是过去40 年间研究、发展起来的一类新型压电材料。其中尤以1969 年PVDF 的研究发现具有代表性。20 世纪40 年代已成功合成的PVDF，不仅具有机械强度高、化学性能稳定、易于加工等独特性能。由于PVDF 具有很强的压电性和
18、热释电性，而且与其它高分子材料制成大面积薄膜和不规则形状，尤其是其密度很小，声阻抗很低，能与水和人体形成良好匹配，由于这种薄膜厚度薄、频响高，对测量条件无明显影响，能真实反应材料应力，因此受到国内专家们的青睐 6。由于这种薄膜厚度薄、频响高，对测量条件无明显影响，能真实反应材料应力，因此受到国内专家们的青睐。近年来，PVDF 薄膜在爆炸冲击测量上的应用日渐成熟。由PVDF 薄膜做成的应力计可测应力高达几十GPa，频率响应可达到数百 。所以本课题选用的压电材料为PVDF压电薄膜。MHz1.2.2 PVDF 压电薄膜传感器的研究现状1969 年，日本 Kawai 发现高分子材料聚偏氟乙烯（poly
19、vinylidenefluoride 简称PVDF）具有极强的压电效应，同年，美国研究了聚氯乙烯等聚合物的压电性及提高聚偏氟乙烯等聚合物活性的方法，并设计水下音响装置、压力传感器和压电打火机等器件。由于 PVDF 薄膜具有压电性能强、声阻抗低、频率响应宽、质量轻、柔性以及加工性能良好和价格低廉等优点，引起了各国学者的极大兴趣，并在制第 8 页 共 41 页备工艺、性能和实际应用方面都进行了深入广泛的研究 78。国外研究现状：自从发现 PVDF 薄膜具有压电特性以来，国际上就对该材料进行了深入的研究。目前，在日本、美国和欧洲等地区己经取得广泛的进展，其产品己经应用在各个领域。(1)力学测量方面由
20、于 PVDF 压电薄膜具有很强的压电性能，其电荷压电常数 d 比石英高 10 多倍，电压压电常数 g 的值比 PZT(压电陶瓷)高约 20 倍，在力学测量方面的研究成为基本方向之一。如利用 PVDF 压电薄膜的电荷输出与应变成正比的特性可以测量结构的应变.AudranP 等人将 4 片方型 PVDF 压电薄膜片粘贴在梁上测量梁的应变大小，并将其转换成结构的声强做为误差信号对梁的振动进行主动控制。(2)结构模态测量方面由于 PVDF 压电薄膜有其特殊的积分特性，利用 PVDF 压电薄膜对结构体的结构模态测量研究也是人们感兴趣的方向之一。RongliangChen 和 BorTsuenWang 曾
21、利用方型 PVDF 压电薄膜粘贴在悬臂梁和简支板上测量其固有频率、振型和模态阻尼比。Cuhat.D 和 Davies.P 基于模态测试的原理，使用 PVDF 压电薄膜形状传感器来测量弯曲振动梁表面的应变。以前，对此类传感器的研究主要集中于经典边界条件下的均匀结构，现在他们提出了用实验方法设计 PVDF 薄膜形状传感器可以对任意边界下不均匀欧拉一伯努利梁进行检测。(3)医学测量方面PVDF 薄膜的出现为解决医学检查问题提供了一种新的途径。JavadDargahi和 Raminsedaghati 等人利用 PvDF 薄膜具有机械柔性的特点，开发了内窥镜检查用齿形触觉传感器，可用于对敏感性组织的力和
22、柔顺性进行测量，为医学上敏感组织的力和柔顺性测量提供了一种方法。samjinchoi 和 zhongweiJiang 研制了一种新型佩戴式心肺信号检测设备，用于检测在家庭环境中睡眠时的心肺信号状态。(4)触觉测量方面触觉传感器一直是现代自动化机器人研究的重点，最近，模拟人手感觉工作的PVDF 触觉传感器己用在机器人上。PVDF 压电薄膜受力后产生电荷，它按电荷量的第 9 页 共 41 页大小和分布来判别物体的形状，同时与机器人的抓取系统协调工作。(5)能量采集方面能源问题是当今的一个重要课题，现在，人们正在尝试利用 PVDF 薄膜对各能量进行采集和转换。如 Hausle;和 Stein 利用
23、PVDF 压电薄膜制作的换能器，将PvDF 薄膜植入动物体内，将动物呼吸产生的机械能转换为电能。采集环境中的振动能量装置正在研发之中，如应用收集波能的理念将 PVDF 薄膜制成换能器，通过将压电元件置入鞋跟，可以将步行的能量转化为电能。国内研究现状自从上世纪 80 年代我国研制出 PVDF 薄膜以来，大多高校和科研院所都进行了 PVDF 压电传感器的研究工作。近年来，随着国内经济的迅速发展，PVDF 薄膜传感器的研究取得了突飞猛进的进展，部分研究成果己经实现了产品化。在结构测量方面，江苏大学的吴锦武，姜哲利用正弦函数展开式来近似计算固定板振动位移，通过设计特殊形状的 PVDF 压电薄膜，使 P
24、VDF 输出信号作为所需要的振动结构体积位移的函数。在应力检测方面，重庆大学的刘建胜、王代华将 PVDF 传感器固定在桥索端部，通过监测桥索的应变得到振动参量，实时监测分布于大桥上的桥索张力变化。在线监测桥索的张力就能掌握斜拉桥各部分的载荷分布及其变化情况，实现斜拉桥张力的在线测量，从而为确定大桥是否处于正常运营状态提供依据。在医学方面，山东大学王国力，赵子婴等从模拟中医脉搏诊断的角度，研制了同时感受寸、关、尺兰部位脉搏信号的仿生手诊用的 PVDF 压电薄膜传感器，修正了电荷放大电路和其它信号调理电路，又对得到的脉搏波形进行整形，并专门进行了消噪处理，提高了测量的灵敏度，有效地抑制了非线性失真
25、。武汉工业学院的胡涛提出了一种新型的 PVDF 压电薄膜压力分布计算机测试系统，包括多点压电薄膜传感器、多点电荷放大装置和数据处理系统等几部分。该系统可以实现全场实时测量，其动态范围可达 0.1500Hz;采用微机输出独特的图像动画，使测量结果更为直观，为动态接触问题的研究及振动测试提供了新的研究方法.此外，微型化、小型化和无线传感器是 PVDF 传感器研究的又一个主要的方向。总之，在国内外对 PvDF 薄膜的研究在各个方面己经取得了实质性的进展，第 10 页 共 41 页为 PVDF 薄膜产品广泛的开发、生产和广泛应用提供了良好的实验理论基础。1.3 本文的研究内容本课题从压电材料的特性入手
26、，PVDF 显示出显著地优越性，选用 PVDF 压电薄膜传感器。深入研究了压电薄膜传感器的基本测量原理，根据课题背景，建立模型，确定输出电荷（电压）和应力的关系以及其间物理量之间的关系，通过测量电路得输出电压信号，从而得到药内应力的分布。PVDF压电薄膜传感器测试系统是对结构的应力响应进行实时监测，将系统中各种仪器连接起来，实现对PVDF压电薄膜监测的应力输出信号的采集、传输、记录、处理的全过程研究。首先，布置在药内的 PVDF 压电薄膜传感器将结构的局部应力响应转换成电荷信号输出，压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。，需要使电荷信号经电荷放大器转换成电压信号
27、。输出的电压信号通过电压信号采集仪将电压信号转换成计算机可处理的数字信号，经过计算机处理与分析后的数字信号可进行存储，分析和比较其信号特征。本课题的流程图如 1.1 所示：图 1.1 流程图第 11 页 共 41 页2 PVDF 压电薄膜传感器原理自 1969 年H.Kawai发现PVDF（Polyvinylidene Fluoride，聚偏氟乙烯）薄膜经过拉伸和加高直流电压（极化）后呈现强压电性，此后数十年间，PVDF压电薄膜引起国内外学者的极大关注，并于1974 年利用PVDF 开发出了电声转换元件。从上世纪八十年代开始， D.Broussoux(1980) ，G M.Sessler(19
28、81)，F.Bauer(1981，1983) 等学者对 PVDF 的压电特性进行了较系统的研究，为了获得性能稳定的VDF 压电薄膜，F. Bauer于1986年提出制造 PVDF 压电薄膜的循环极化法，大大促进了PVDF 压电传感器的研制与工程应用。目前，国内外对PVDF 应力计的应用主要在动态测试方面。从PVDF 应力计最大压力、动态系数标定、试验参数影响及实际应用等方面进行了研究，获得了大量的宝贵试验数据和应用资料。至此可知，PVDF 压电薄膜高耐压、高频响、低声阻抗等特性非常适合药内应力的研究，所以在应力测试中选择PVDF薄膜作为压电计制作材料，研制相应的PVDF 压电传感器。PVDF(
29、聚偏二氟乙烯)是一种有机高分子聚合物，经热、冷拉伸并在居里点温度下进行极化处理从而表现出压电、热电特性PVDF 压电薄膜可以做得很薄(650 um)，利于切割，形成较大面积的测量范围由它制成的传感器响应速度很快(ns 量级)，能够及时准确地捕捉膛压瞬变信号；灵敏度很高，满足 O20 GPa 的测量范围利用 PVDF 压电薄膜在厚度方向上受压输出电荷的原理制成压电传感器，可以满足动态测试中应力测量的传感器的各项要求2.1 PVDF 压电薄膜的材料2.1.1 PVDF 压电薄膜的晶体结构 8PVDF 是一种半结晶型高聚合物压电材料，由重复单元单体偏氟乙烯（CH2CF2）的长链分子构成。相应于 20
30、00 个重复单元的 PVDF 分子量为 105数量级，伸展长度在 .PVDF 的结晶度约为 50%，非结晶相具有过冷液体的3410nm特性，其玻璃化温度 Tg 为35目前已测得的 PvDF 压电薄膜晶型至少有 4 种:即 I 型( 相)、II 型( 相)、III 型( 相)、IV 型( 相)。图 2.1 为 PVDF 的 4 种晶型的结构示意图。第 12 页 共 41 页图 2.1 PVDF 压电薄膜 4 种晶型示意图4 种晶型中只有 I 型( 相)才具有自发极化性， 相是一种铁电体相，PVDF压电薄膜的压电性能随着刀晶型含量的增加而增加。在 晶型中，晶体的每个晶胞中通过两个分子链，分子链取
31、TT 构象(平面锯齿形)。CF2 单体具有较大的偶极极化率，在分子本身与之长度成垂直方向，存在永久偶极子。CF2 偶极子朝同一个方向，分子链在 b 轴方向相互平行排列，因而具有较大的自发极化性，每个单体偶极矩为 ，自发极化强度 Ps 为 ，具有永久极化性质。307.1Cm3210Cm所以 I 型( 相) 是一种极性晶体，它受极化处理后，晶粒的 b 轴会更好地沿着极化方向取向，这一点是 PVDF 具有大的压电效应的基本原因。但在薄膜内各微晶区的极化方向不完全一致，宏观上薄膜不呈现极化。将薄膜附近加热到居里点温度，并施加高压电场极化处理，各微晶区的极化方向依据电场方向平行取向，经过这样的处理后的
32、PVDF 压电薄膜才具有压电效应。然而，PVDF 试样通常也是晶体和非晶体的混合物，结晶度一般在 50%左右。11 型( 相) 是 4 种晶体多形体中能量最低、最稳定的结构。PVDF 由液态缓慢冷却或由溶液流延形成薄膜时，通常呈现 相结晶状态。尽管 相势能最低，但各相间势能差很小，PVDF 中偶极子相互抵消，其结晶不存在永久的极化。因而在适当条件下，各相间可以互相转换。在不同的热处理条件、机械应力条件、外加第 13 页 共 41 页电场、甚至选择不同的溶剂，都可形成不同的晶相。Kawai 当初就是在经单轴拉伸轴由 相转变为 相的极化 PVDF 中测量到很强的压电效应。目前，最常用的方法仍是单轴
33、拉伸将 相 PVDF 转变为压电 相。2.1.2 PVDF 压电薄膜的物理性质不同文献中所介绍的 PVDF 的物理性质参数不尽一致，彼此相差甚大，综合文献，给出表 2.1 所示的 PVDF 压电薄膜的一般物理参数 10。表 2.1 PVDF 压电薄膜物理参数2.1.3 PVDF 压电薄膜的优缺点PvDF 压电薄膜的优点 1112：(1)压电薄膜参数比石英高 10 多倍。虽然比 PZT 略低，但作为传感材料重要的一个特征参数 g 的值比 PZT 高 20 倍左右。因此其灵敏度非常高。第 14 页 共 41 页(2)柔性和加工性能好，对结构的力学性能影响很小,与结构有着良好的兼容性,可制成厚度不等
34、、形状不同的大面积的薄膜，因此适于做大面积的传感阵列器件，尤其适合于表面构造复杂的结构和构件。(3)声阻抗低:为 ，仅为 PZT 压电陶瓷的 1/10，它的声阻抗与水的、63.510/Pams人体肌肉的声阻抗很接近，并且柔顺性好，便于贴近人体，与人体接触安全舒适，因此用作水听器和医疗仪器的传感元件时，不使用阻抗变换器。(4)频响宽。室温下在 范围内响应平坦，即从准静态、低频、高频、超5910Hz声以及超高频均能转换机电效应。(5)由于 PVDF 分子结构链中有氟原子使得它的化学稳定性和耐疲劳性高，吸湿性地，并有很好的热稳定性，即耐潮湿、多数化学品、氧化剂、强紫外线和核辐射。(6)高介电强度:可
35、耐受强电场作用，此时大部分陶瓷已退极化。(7)质量轻:它的密度只有 PZT 压电陶瓷的 1/4，做成传感器对被测量结构的影响小。(8)容易加工和安装:可以根据实际需要来制定形状，用 502 胶直接粘贴固定。PVDF 压电薄膜同样存在着缺点:(1)它的有效输出来自于被测能量的一部分，制成的传感器内阻较高，输出能量比较小。(2)电容很小，在外力作用下所产生的电荷很快就会失去，在零频率时要求长时间保持微弱的静电荷比较困难，低频传感特性比高频差，因此只能用于动态或近似动态的测量。(3)只能在一定范围内满足近似线性要求，并容易受外界多种环境影响。2.2 PVDF 压电薄膜传感器的原理2.2.1 压电效应
36、所谓压电性(piezoelectricity)指的是电介质在压力作用下发生极化而在两端表面上产生符号相反的电荷的性质，作用力的方向改变，电荷的极性也随着改变，当外力去掉后，该电介质又重新恢复到不带电的状态。第 15 页 共 41 页当某些电介质晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些表面上出现异号极化电荷，这种没有电场的作用，只是由于应变或应力，在晶体产生电极化的现象称为正压电效应或压电效应。当应力较小时，由压电效应产生的极化强度与应力成线性关系。当在压电材料上施加电场时，晶体不仅产生极化，还将产生应变和应力，这种由电场产生应变或应力的现象称为逆压电效应。当电场较弱，应变与外电场呈线性关系。压电
37、效应反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。(实线为变形前，虚线为变形后) (实线为变形前，虚线为变形后)图2.2 正压电效应示意图 图2.3 逆压电效应示意图2.2.2 压电方程取垂直于 PVDF 压电薄膜的极化方向为 Z 轴定义坐标系，如图 2.6 所示，则 PVDF 的压电方程为：(2.1)= +E T式中： 面电荷密度矩阵=(1,2,2)E外加电场T 介电常数矩阵；E 电场强度。第 16 页 共 41 页图 2.4 PVDF 极化原理图当无外加电场时，式 3.1 可以简化为：(2.2)qd其中： 应力（13 为正应力， 46 为切应力），分量=(1,2,3,4,5,6)单位为 N/m
38、2d 压电应变常数矩阵，分量单位为 C/N按图 2.6 坐标系，压电常数矩阵为：=0031003200330240500000其中， 压电应变常数（ i 表示产生的极化电荷方向为法向， j 表示应力ijd方向）。按式 2.1 和式 2.2，PVDF 薄膜两面产生的面电荷密度 q3 为：(2.3)3=311+322+333在垂直于薄膜的单向应力状态下，式 2.3 可简化为：(2.4) 3=333式 2.3、式 2.4 即为 PVDF 压电薄膜的测压原理，考虑 PVDF 薄膜面积 A ，可得到：(2.5) =3=333式 2.5 表明，PVDF 压电薄膜表面输出的电荷量与垂直表面的应力成正比，利用
39、PVDF 压电薄膜的压电效应，可以把薄膜上的应力变化通过外接电路线性地转换成电荷量的变化。压电系数是可以进行测量的，其基本原理就是利用材料的正， 逆压电效应。对压电薄膜施加外力，测量产生的电荷或电压；或者对压电薄膜外加电场，测量第 17 页 共 41 页产生的应变，由此可得薄膜的压电系数。一般来讲，薄膜的压电系数的测量方法分为两大类：直接测量法和间接测量法。前者是利用正逆压电效应，直接检测到由外加电场产生的位移或者施加外载产生的电荷。由此得 d33或 d31.间接测量法是利用诸如声体波和声表面波等压电效应来研究薄膜的机械特性（应力和应变）和电学特性（电压和电荷）之间的关系 。2.2.3 压电元
40、件的基本变形（1）厚度变形（TE 方式）如图 2.5(a)所示，该方式是晶体的纵向压电效应，产生的表面电荷密度是1=111(2.6)（2）长度变形（LE）变形如图 2.5(b) 利用晶体的纵向压电效应，表面电荷的计算公式为或 (2.7) 1=122 =12()式中，分别为电荷面和受力面的面积。该式表明沿机械轴方向对晶体施加作用力时，在垂直于电轴的表面产生的电荷量与晶片的尺寸有关。（3）面剪切变形（FS 方式）如图 2.5(c)所示，计算式为（X 切晶片） 1=144(2.8)（Y 切晶片） 2=255(2.9)有关晶片的切形及符号是这样规定的：在直角坐标系中，如切片的原始位置是，厚度平行于 X
41、 轴，长度平行于 y 轴，宽度平行于 z 轴，以此原始位置旋转出来的切形为 X 切族；如果切片的厚度，长度和宽度边分别平行于 y,x,z 轴，以此原始位置旋转出来的切形为 Y 切族.并规定逆时针旋转为正切型，逆时针旋转为负切型。（4）厚度剪切变形（TS 方式）如图 2.5(d)，计算式为第 18 页 共 41 页（Y 切晶片） 2=266(2.10)（5）弯曲变形（BS 方式）该方式是由拉，压，剪切应力共同作用的结果。可根据具体的情况选择合适的压电常量。（6）体积变形（VE 方式）如图 2.5（e）所示：这时产生的电荷密度按下式计算(2.11)23=311+322+333图 2.5 压电元件的
42、受力状态和变形方式(a) 厚度变形（b）长度变形(c)面剪切变形图(d) 厚度剪切变形（e）体积变形2.2.3 PVDF 压电薄膜传感器等效电路模型 18压电薄膜在受轴向外力作用时，在两个电极表面将产生聚集电荷，且电荷量第 19 页 共 41 页相等，极性相反，因此，它既相当于一个电荷器，又相当于一个以压电材料为电介质的电容器， 可表示为 =0（2.12）因此，等效电容器两极板之间的电压表示为 =式中: 真空介电常数，为0 128.50/Fm-压电材料的相对介电常数; A薄膜面积（m 2） ；L-薄膜厚度（m） ；Q两极板的电荷量（C） ；可以把压电式传感器等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷
43、发生器,等效电路如图 2.6(a)所示。由于电容上的(开路)电压，因此压电式传感器也可以等效为一个电压源和一个电容串联的电压源,等效电路如图 2.6(b)所示。图 2.6 压电薄膜传感器的等效模型（a）等效电荷源（b）等效电压源从图2.6可以看出只有PVDF压电薄膜传感器内部电荷无泄露，外部所接电阻为无穷大时，PVDF压电薄膜产生的电荷才能长时间保留，否则电路会自动放电。可见只有在动态情况下，传感器电荷才能得到保证和补充，所以PVDF压电薄膜只适合动态测量。在静态测量时，于传感器内部不可能不泄露一些电荷，和外部所接电阻不可能为无穷大，必然会带来误差。当压电薄膜传感器与测量电路配合使用时,如图
44、2.7 所示。这样在等效电路中第 20 页 共 41 页就必须将前置放大器的输入电阻 、输入电容 ,以及低噪声电缆的电容包 括iRiCcC进去。因此,当考虑了压电元件的绝缘电阻 以后,完整的等效电路可表示成如图 2.7d所示的电荷等效电路(a)和电压等效电路(b)。这两种等效电路是完全等效的.图 2.7 压电薄膜传感器的实际等效电路(a)电荷等效电路; (b)电压等效电路在此等效电路中，PVDF压电薄膜传感器的绝缘电阻与前置放大器的输入电阻相并联，为了保证传感器的低频响应，尽量减少静态力的误差，要求传感器的绝缘电阻应该保持在 以上，才能使内部电荷泄露减少到满足精度要求。同时前130置放大器要有
45、较大的输入电阻，以防止传感器的电荷通过输入电路泄露。根据压电薄膜传感器的原理和等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此设计传感器前置放大器时，有二种方法：一种是电压放大器，其输出电压和输入电压成正比 ,如图2.8;一种是电荷放大器，其输出电压和输入电荷成正比，如图2.9。 图2.8 电压放大器-Cd Rd Cc Ri CiCdRd Cc Ri CiUq(a) (b)QCa Cc CiRa Ri CfRfN第 21 页 共 41 页图2.9 电荷放大器3 PVDF 压电薄膜传感器在药内应力测试的设计3. 1 建立模型 传感器将被研究对象的动态参数转化为电信号，是检测与控制系统的前
46、提条件。传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。建立运动的子弹为模型，将压电薄膜传感器放在子弹内部药内，感知药内动态应力的分布情况。当待测物子弹以加速度运动时,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。如图 3.1 所示：图 3.1 建立的模型PVDF 压电薄膜传感器的传感机理即输入的应力信号与输出电荷信号之间的对应量化关系，如图 3.2 所示，电荷的输出是它所有方向的应力在极化方向上作用的响应。则 PVDF 所测的瞬态应力为：()=()()第 22
47、页 共 41 页（3.1）Q（t）-由压电效应产生的电荷（C）K 一 PVDF 压电传感器的动态灵敏系数（C/N）A是压电薄膜传感器的实际有效面积（）图 3.2 输出电荷与应力的关系本课题要得到在冲击过载下检测顿感炸药内部的应力分布，我们可以根据计算机读取的电压值，计算得电荷放大器前的电荷，即由于压电效应产生的电荷，从而得在动态测试中，药内应力的分布情况。在此模型中，药内 PVDF 压电薄膜仅受到一维力作用(3.2) =()又因为子弹在运动过程中，药及其传感器有一个加速度，由牛顿第二定律(3.3)FMaM 为压电薄膜传感器上侧药的等效质量 a 为子弹的运动加速度将压电薄膜传感器上侧药的质量等效 (3.4) =其中 为药的密度(kg/m 3)；H 为 PVDF 所在药内的深度(m)；第 23 页 共 41 页A 为 PVDF 传感元件的电极所覆盖的面积（）联立(3.2) (3.3) (3.4)三式可得(3.5)Ha式(3.5)表明，当子弹的加速度一定时，药内部的应力随深度的增加而增大，成比例线性关系如图 3.3。当深度一定时，截面应力与加速度成比例关系如图 3.4 。a 一定H图 3.3 一定， 与 H 的关系aH 一
