（环境工程专业论文）pvdf压电传感器的设计及其试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水 平的高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。p v d f 压电薄膜是一种 新型的高分子聚合物型传感材料，利用p v d f 压电薄膜的压电特性，设计制作 各种传感器来满足不同的测量要求已经成为当今人们研究的一个热点，国内外许 多科研人员已经利用p v d f 压电薄膜做出了许多成功的应用。 本文利用p v d f 压电薄膜独特的积分特性，设计制作了正弦形状和余弦形 状传感器，它们单独使用，正弦形状的p v d f 传感器可以用来测量梁振动的位 移、速度、加速度、应变、应力、弯矩；余弦形状的p v d f 传感器可以测量振 动梁的角位移和剪力：配静使用它们，可以用来测量梁的结构声强，用它们测量 结构声强时不会产生有限差分误茇。并且由于传感器的质量相当轻，对被测量的 结构几乎不产生附加影响。 传感器的制作是利用的2 8 u r n 厚的4 层结构的p v d f 压电薄膜，传感器表面 电极形状的制作用了剪切加丙酮腐蚀的方法，保证了传感器有一定的非金属化的 边缘。对于电极的引出，我们的设计是将传感器上、下鸯极面引脚错开，引出电 极是我们比较容易做到的穿透式，我们用了压接端予压接和空心小铆钉铆接的两 种方法。 最后，在模拟半无限长的钢梁上。利用噩电加速度传感器与所设计的正弦形 状和余弦形状传感器测量进行比较，实验结果表明，设计制作的正弦形状和余弦 形状传感器是适用可行的。 关键词：p v d f 压电薄膜，传感器，振动测量，加速度传感器， 结构声强， 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e n s o rt e c h n o l o g yi st h ef r o n tt e c h n o l o g yo ft h em o d e r ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，a sw e l la so n eo ft h et h r e em a j o rp i l l a r so ft h em o d e r ni n f c ) r m a t i o n t e c h n o l o g y ，a n di t sd e v e l o p m e n tl e v e li so n eo ft h ei m l i 6 r t a n ts y m b o l sf o rw e i g h i n ga n a t i o n ss c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tl e v e l p v d fp i e z o e l e c t r i cf i l mi sa n e w - t y p eh i g hp o l y m e rt y p es e n s i n gm a t e r i a l ，a n dt h r o u g hu s i n gi t sp i e z o e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c s ，av a r i e t yo fs e n s o r sh a v eb e e nd e v e l o p e dt om e e tt h ed i f f e r e n t m e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s ，w h i c hh a sa l r e a d yb e e no n eo ft h ef o c u s e so ft h em o d e r n r e s e a r c h a n dal o to fs u c c e s s f u le x a m p l e sh a v eb e e nm a d ei nt h ea p p l i c a t i o no f p v d fp i e z o e l e c t r i cf i l mb yd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e r s i nt h i sp a p e r ，t h es i n ea n dc o s i n es h a p e ds e n s o r sh a v eb e e nd e s i g n e db yu s i n g t h ei n t e g r a lc h a r a c t e r i s t i c so fp v d fp i e z o e l e c t r i cf i l m n es i n ep v d fs e n s o rc a nb e u s e da l o n et om e a s u r et h ed i s p l a c e m e n t ，s p e e d ，a c c e l e r a t i o n ，s t a i n , s t r e s so ft h er o o f b e a mv i b r a t i o n ；t h ec o s i n ep v d fs e n s o rc a nb eu s e da l o n et om e a s u r et h ea n g u l a r d i s p l a c e m e n ta n ds h e a ro ft h er o o fb e a mv i b r a t i o n ；b yu s i n gt h e mj o i n t l y ，t h e s t r u c t u r a li n t e n s i t yc a nb em e a s u r e df o rt h er o o fb e a mw i t h o u ta n yf i n i t ed i f f e r e n t i a l e r r o r s i n c et h es e n s o rd e s i g n e di sv e r yl i g h t ，i th a sn oa d d i t i o n a le f f e c to nt h e m e a s u r e m e n ts y s t e m 1 1 1 es e n s o r sa r em a d eo f2 8 u r nt h i c kf o u r - l a y e r e dp v d fp i e z o e l e c t r i cf i l m a n d t h ef o r mo ft h ee l e c t r o d ei sm a d et h r o u g hc u t t i n ga n da c e t o n ee r o d i n gt oe n s u r ea n o n - m e t a l l i z a t i o ne d g ef o rt h es e n s o r l e a da t t a c h m e n tt e c h n i q u e sf o rd e s i g n e dp i e z o f i l ms e n s o r s t h et o pa n db o t t o mt a b sa r eo f f - s e tw i t hr e s p e c tt oe a c ho t h e r ，w eu s e p e n e t r a t i v et e c h n i q u e s ，r i v e t so re y e l e t sa n dc r i m pc o n n e c t o r sc a n b ea f f i x e dt ot h e o f f - s e tc o n d u c t i v et r a c e so nt h ep i e z of i l m f i n a l l y ，t h ed e s i g n e ds i n em a dc o s i n e s e n s o ra r ea p p l i e do nt h es i m u l a t e d s e m i - i n f i n i t er o o fb e a mt oc o m p a r et h e i rm e a s u r e m e n tr e s u l t sw i t ht h et r a d i t i o n a l p i e z o e l e c t r i c a c c e l e r a t i o ns e n s o r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h e ya r e a p p l i c a b l ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：p v d fp i e z o e l e c t r i cf i l m ，s e n s o r s ，v i b r a t i o n a lm e a s u r e m e n t a c c e l e r a t i o ns e n s o r s ，s t r u c t u r a li n t e n s i t y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在 年我解密后适用本授权书。 不保密时 学位论文作者签名：钏指导教师签名：善吃矿 沙p j ，年6 月扩日 2 e , 。，年钿矿日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 泐亨年6 只矿b 江苏大学硕士学位论文 1 1 传感器的基本概述 第1 章绪论 传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置。 国际电工委员会( i e c ：i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 的定义为：“传 感器是测量系统中的一种前置部件，它将输人变量转换成可供测量的信号”。 国家标准( g b 6 6 5 8 7 ) 中对传感器【1 1 的定义是：能感受规定的被测量并按照 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。 实际上，有些传感器并不能明显区分敏感元件和转换元件两个部分，而是二 者合为一体。象压电传感器、热电偶等，没有中间转换环节，直接将被测量转换 成电信号。 有时人们往往把传感器、敏感元件、换能器及转换器的概念等同起来。在非 电量电测变换技术中，传感器一词是和工业测量联系在一起的，实现非电量转换 成电量的器件称之为传感器。 1 2 振动测量中压电传感器 压电传感器是利用压电材料的压电效应，将机械能转换为电能，属于典型的 有源传感器。其中压电加速度计是在振动测试中使用最为广泛的传感器。 压电传感器的工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效 应。广义的讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的种类繁多的传感器，都可 称为压电传感器，常见的压电材料有石英晶体、人工合成的多晶体陶瓷( 如钛酸 钡、锆钛酸铅等) 以及有机高分子聚合物p v d f 。随着电子工业的发展，与压电 传感器配套的仪表、元件和电缆的性能得到不断改善，使压电传感器的应用曰益 江苏大学硕士学位论文 广泛。 在振动噪声测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终 可变换为力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、 力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。 压电式传感器的高频响应好，如配备合适的电荷放大器，低频段可低至 o 3 h z ，所以常用来测量动态参数，如振动、加速度等。压电式加速度传感器还 具有体积小、重量轻等优点。 压电式加速度传感器的结构类型主要有压缩型、剪切型和复合型三种。压缩 式结构型式，它们的压电元件都取用d 1 1 和a 3 3 形式；剪切压电效应以压电陶瓷 为最好，且理论上不受横向应变干扰和无热释电输出，因此，剪切压电传感器多 采用极化压电陶瓷作压电元件；复合型结构是具有组合结构、差动原理而组合为 一体化的或由复合材料制成的压电传感器。 压电式加速度传感器的使用注意事项： ( 1 ) 环境温度、湿度的变化会引起压电材料的压电系数、介电常数和绝缘 电阻的变化，使用时应注意温度条件和采取防潮密封措施。 ( 2 ) 横向灵敏度的影响主要来源于压电材料性能的不均匀和工艺制造上的 缺点。横向灵敏度定义为横向振动引起的输出与横向加速度之比。横向误差是横 向干扰引起的输出与纵向被测加速度引起的有用输出的百分比值。实际工作时， 应注意使传感器的轴线与安装表面垂直，并使传感器的最小横向灵敏度方向与存 在横向振动的方向一致。 ( 3 ) 工作时将连接电缆尽可能地固定在被测体上并在最小振动点离开被 测体电缆变形而引入电缆噪声。 ( 4 ) 测试时要注意整个测量系统在一点接地，避免产生接地回路噪声。接 地点一般选择在指示仪器的输入端。 石英和压电陶瓷是两大类性能较好的压电材料，它们都获得了广泛的应用， 但这两类材料的共同缺点是密度大、硬而碎、不耐冲击、难于加工、工作频带窄， 更难制作成轻小而柔软的压电元件。一种新型的压电材料p v d f ( 聚偏氟乙烯) 很 好地克服这些困难，还具有前两类材料灵敏度高、性能稳定的优点。 2 江苏大学硕士学位论文 1 3p v d f 压电薄膜 p v d f 是一种新型的高分子聚合物型传感材料。1 9 6 9 年k a w a i 发现其具有 很强的压电性以后，几十年来，人们对p v d f 薄膜的研究一直没有中断。同时， p v d f 与微电子技术相结合，能制成多功能传感元件。下面我们简要地介绍p v d f 压电薄膜的优点【2 】： 1 、压电常数d 参数比石英高十多倍。虽然比p z t 低，但作为传感材料更重 要的一个特征参数g 的值比p z t 高2 0 倍左右。 2 、柔性和加工性能好，可制成5 u m 到l m m 厚度不等、形状不同的大面积 的薄膜膜，因此适于做大面积的传感阵列器件。 3 、声阻抗低：为3 5 1 0 p a s m ，仅为p z t 压电陶瓷的1 f 1 0 ，它的声阻抗 与水的、人体肌肉的声阻抗很接近，并且柔顺性好，便于贴近人体，于人体接触 安全舒适，因此用作水听器和医用仪器的传感元件时，可不用阻抗变换器。 4 、频晌宽，室温下在1 0 - 5 _ 1 0 9 h z 范围内响应平坦，即从准静态、低频、高 频、超声及超高频均能转换机电效应。 5 、由于p v d f 的分子结构链中有氟原予使得它的化学稳定性和耐疲劳性高， 吸湿性低，并有良好的熟稳定性，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：可耐受强电场作用( 7 5 v u m ) ，此时大部分陶瓷已退极化。 7 、质量轻：它的密度只是p z t 压电陶瓷的1 4 ，做成传感器对被测量的结 构影响小。 8 、容易加工和安装：可以根据实际需要来制定形状，用5 0 2 胶来粘贴固定。 1 4p v d f 压电薄膜传感器研究现状 由于p v d f 压电薄膜有这么多优点，对它的性能和应用研究也是当今热点之 一，p v d f 压电薄膜的电荷输出与应变成正比，它的最直接的应用就是测量结构 的应变， a u d r a np 等人用4 片方型p v d f 压电薄膜片粘贴在梁上，测量应变转 抉成结构声强来作为误差信号，进行梁的振动的主动控制【3 l 。z a n d e ra j l ：l k u m m e r 用p v d f 压电薄膜粘贴在测试片上作应变测量，将结果与应变计测量结果进行 江苏大学硕士学位论文 比较州。k n a p pj 等人用p v d f 压电薄膜作动态应变测量，与箔片应变计与半导体 应变计比较，p v d f 压电薄膜灵敏度高， j 和c h o p r ai 用p v d f 压电薄膜测量应变， 噪比作比较6 1 。 线性好，但不适合作静态测量吼s i r o h i 并且与传统的箔片应变计在灵敏度和信 测量和控制结构噪声中体积位移、体积速度和体积加速度来控制结构的声辐 射的应用越来越引起关注，许多研究人员通过设计特定形状的p v d f 压电薄膜对 体积位移或体积速度的测量进行了大量研究m ，9 ，1 0 ”1 ”。 而以声辐射模态为基础，在a s a c 中使用p v d f 压电薄膜作为误差传感器也是 近几年来研究的热点 1 2 , 1 3 】，通过设计特定形状的p v d f 压电薄膜用来测量一维梁 的声辐射模态伴随系数，从而为a s a c 提供了有效的误差传感器【1 4 , 1 5 。 利用p v d f 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， p v d f 压电薄膜有其特殊的积分特性，l e e c k 推导t p v d f 的输出电荷与振动结 构法向位移的关系，& p p v d f 的输出电荷正比与薄板法向位移的二次导数在 p v d f 有效面积上的积分【1 6 】。他还成功地应用p v d f 薄膜作为传感器粘贴在悬臂 梁上，通过设计p v d f 的形状，测量出了其特定的结构模态的模态速度【l 。”。 r o n g l i a n gc h e n 和b o rt s u e nw a n g 利用方型p v d f 压电薄膜粘贴在悬臂梁和简支 板上测量固有频率、振型和模态阻尼比【。k i mj 等人将多层的p v d f 压电薄膜用 做任意几何形状和边界条件的二维结构的模态传感器u 。v a r i y a r tw 和b r e r m a n mj 用p v d f 压电薄膜作模态传感器p z t 作模态作动器来实施控制【2 0 】。c u h a td 和 d a v i e sp 基于模态测试的原理，使用p v d f 压电薄膜形状传感器测量弯曲振动梁 表面的应变，作为模态滤波器，这种类型传感器以前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来设计在任意边界下不均匀欧拉 伯努利梁的p v d f 压电薄膜形状传感器【2 l j 。 p v d f 压电薄膜在一些情况下也用来测量加速度【2 2 1 ，b e n e c hp 等人【2 3 】得到 p v d f 压电薄膜测量加速度的灵敏度是1 0 7 1v i n ls 2 。p v d f 压电薄膜可以用作声 发射( a c o u s t i ce m i s s i o na e ) 传感器，来作为复合结构的健康监测1 2 4 j 。作为结构 健康监测和破损检测方面的应用，p v d f 压电薄膜价格便宜、耐用、灵敏度高， 快速响应和安装方便等优点，常用于矿山、桥梁、楼宇等【2 5 ，2 6 ，2 7 1 。 g u h u a 等人将p v d f 压电薄膜和适当的电路相结合，组成无线检测和监测系 4 江苏大学硕士学位论文 统忙”，这是一个很有应用潜力的方向。f e n gw a n g 等人用p v d f 压电薄膜制作成 传感器放在床单下面，人胸部的地方，用来监测人体睡眠时候的呼吸和心跳，并 用小波分析的方法将两类信号分开【2 9 1 。 一种模拟人手感觉工作的p v d f 触觉传感器已用在机器人技术上。当p v d f 压电薄膜受力后产生电荷，按电荷量的大小和分布判别物体的形状，在医疗器械 中，有的与机器人的抓取系统结合起来 3 0 , 3 1 1 。现在微机械系统上也有很多地方是 可以利用p v d f 压电薄膜优点来做为传感器【3 2 。 因为p v d f 压电薄膜柔软，灵敏度高，所以适于做大面积的传感阵列器件， p v d f 压电薄膜可以与相关电路结合，r e o nr o c k tr 等人用2 5 1 x m 厚的p v d f 压电 薄膜与m o s f e t 相结合，做成5 5 传感器阵列，并且邻近的传感单元没有明显的 耦厶【划。k e e - h oy u 等人用p v d f 压电薄膜做成8 8 的触觉传感器，测量的信号 经过d s p 的数字化和滤波，处理后的信号在个人电脑进行可视化处理，被测量物 体的形状和力的分布以实时的二维或三维图象给出【3 4 j 。l e ei n w o n 和s u n gh y u n q j i n 芹l 用p v d f 压电薄膜做成4 1 0 的压力波动传感器，每个独立的单元由直径为 3 c m 的电极和插件构成，相邻电极之间相距是6 c m 3 5 1 。 r y o ujk 等人在用p v d f 压电薄膜和p z t 作为传感器和作动器多模态控制悬 臂梁的振动控制中，认为对p v d f 压电薄膜的电极屏蔽比调整p z t 的大小和位置 更加有效口“。l u oh $ 1 h a n a q u ds 在用p v d f 压电薄膜传感器做复合材料的无损检 测时候，用双面贴( d o u b l e s i d e da d h e s i v et a p e s ) 来解决传感器粘帖和重复使用 的问题，这种方法能检测到弹性结构的冲击损伤、锯伤和分层1 3 ”。 在国内，重庆大学的张玲等人分析了p v d f 压电薄膜制作的具有触觉、滑觉、 温觉的仿生皮肤传感器的结构，建立仿生皮肤的分析模型【3 8 l 。清华大学的金观 昌等人提出了p v d f 压电薄膜多点脉搏波计算机辅助测试系统，实现多点动态实 时测量【3 9 1 。重庆大学的刘建胜、王代华采用p v d f 压电薄膜通过监测应变得到 拉索的振动信号，计算出拉索的张力，实现斜拉索张力的在线测量【4 。曾辉等 人研究p v d f 压电薄膜的热电效应对压电效应的影响【4 ”。 1 5 结构声强的测量的研究现状 结构声强( s t r u c t u r a li n t e n s i t y ) l 拘 论早在2 0 世纪中叶就被提了出来，但直到 江苏大学硕士学位论文 统脚1 ，这是一个很有应用潜力的方向。f e n gw a n g 等人用p v d f 压电薄膜制作成 传感器放在床单下面，人胸部的地方，用来监测人体睡眠时候的呼吸和心跳，并 用小波分析的方法将两类信号分开鲫。 一种模拟人手感觉工作的p v d f 触觉传感器已用在机器人技术上。当p v d f 压电薄膜受力后产生电荷，按电荷量的大小和分布判别物体的形状，在医疗器械 中，有的与机器人的抓取系统结合起来 3 0 , s q 。现在微机械系统上也有很多地方是 可以利用p v d f f l 电薄膜优点来做为传感器1 3 ”。 因为p v d f 压电薄膜柔软，灵敏度高，所以适于做大面积的传感阵列器件， p v d f 压电薄膜可以与相关电路结合，r e s t o n r o c k t r 等人用2 5 p m 厚的p v d f 压电 薄膜与m o s f e t i i 结合，做成5 5 传感器阵列，并且邻近的传感单元没有明显的 耦合i j “。k e e - h oy u 等人用p v d f 压电薄膜做成8 8 的触觉传感器，测量的信号 经过d s p 的数字化和滤波，处理后的信号在个人电脑进行可视化处理，被测量物 体的形状和力的分布以实时的二维或三维图象给出【” 。l e e i n w o n ；f 1 s u n g h y u n q j i n 利用p v d f 压电薄膜做成4 1 0 的压力波动传感器，每个独立的单元由直径为 3 c m 的电极和插件构成，相邻电极之间相距是6 c m ”1 。 r y o ujk 等人在用p v d f 压电薄膜和p z t 作为传感器和作动器多模态控制悬 臂粱的振动控制中，认为对p v d f 压电薄膜的电极屏蔽比调整p z t 的大小和位置 更加有效口”。l u oh 和h a n a q u ds t 用p v d f 压电薄膜传感器做复合材料的无损检 测时候，用双面贴( d o u b l e s i d e da d h e s i v et a p e s ) 来解决传感器粘帖和重复使用 的问题，这种方法能检测到弹性结构的冲击损伤、锯伤和分层m j 。 在国内，重庆大学的张玲等人分析了p v d f 压电薄膜制作的具有触觉、滑觉、 温觉的仿生皮肤传感器的结构，建立仿生皮肤的分析模型1 3 。清华大学的金观 昌等人提出了p v d f 压电薄膜多点脉搏波计算机辅助测试系统，实现多点动态实 时测量 3 9 】。重庆大学的刘建胜、王代华采用p v d f 压电薄膜通过崎测应变得到 拉索的振动信号，计算出拉索的张力，实现斜拉索张力的在线测量【4 。曾辉等 人研究p v d f 压电薄膜的热电效应对压电效应的影响1 4 l j 。 1 5 结构声强的测量的研究现状 结构声强( s t r u c t u r a l i n t e r s i t y ) 的理论早在2 0 世纪中叶就被提了出来，但直到 结构声强( s t r u c t u r a l i n t e n s i t y ) 的理论早在2 0 世纪中叶就被提了出来，但直到 江苏大学硕士学位论文 7 0 年代才由n o i s e u x 首次提出测量梁和板的弯曲波能量的方法，他分别利用两轴 加速度传感器和三轴加速度传感器测量弯曲加速度和角加速度，从而得到该点的 能量流【“。 g p a v i c 根据结构声强表达式提出了测量结构声强的有限差分法。他利用4 只等间距的加速度传感器的线性排列来测量某一方向的弯曲波强度，并且指出测 量板的弯曲波强度时，需要同时布置8 只加速度传感器【4 3 1 。 j l i n j a m a 用频率响应技术测量梁中的结构声强，无论是近场条件还是远场 条件，都能得到较好的测量结果【4 4 】。 e a r lg w i l l i a m s 发展了一种测量板中结构声强的技术一通过测量十分接近 声源处的声压来计算板内的结构强度，他在研究中指出，应用于水下声源的测量 方法同样适用于空气中的声源【4 ”。 lg a v i c 用实模态法测量结构声强，讨论了两组合板结构声强场中结构声强 的计算误差，通过激振器输人结构的功率流用两个方法进行计算，直接测量激励 点的力和速度，在包含振源在内的闭合曲线上对结构声强矢量进行积分，结果表 明这两种方法所得的结果相吻合1 4 6 1 。 c r h a l k y a r d 和b r m a c e 用傅立叶级数法测量板中弯曲波强度，认为在 远离激励点和间断点的区域( 远场) ，板的弯曲运动可以表示成一系列平面传播波 的总和，并且平面波的振幅是传播方向的函数，用复傅立叶级数对函数进行截断 以得到其近似值，可以发现在时域内平均的强度可由最低五阶傅立叶级数表示。 讨论了所选择的测量变量和测量位置对系统误差和条件数的影响，并用数值对用 傅立叶级数法与用有限元法测量板中功率流的结果进行了对比，结果表明傅立叶 级数法的系统误差和随机误差更d d 4 饥。 a u d r a i np 等人利用4 片p v d f 压电薄膜测量应变，应用有限差分技术来 测量自由自由梁中的结构声强，以此为误差信号，来做梁振动的主动控制【3 j 。 s j w a l s h 指出不仅可以测量直梁或平板的结构声强，还能够测出弯梁的振 动功率传递，他给出了弯梁的多种波形传播表达式【4 8 1 。 在国内，南京大学的赵其昌对结构声强展开了理论和实验上的研究，并用计 算机进行了模拟计算，可以仅用两个加速度传感器来测量弯曲波的功率，并分析 了这种方法所引起的误差，在梁中弯曲波功率的测量值与理论值相比在2 d b 以 江苏大学硕士学位论文 内，低频误差主要来自近场的影响，高频则主要是传感器之间的间距、传感器的 质量以及相位误差的影响【4 9 1 。 华中科技大学李天匀等人在忽略近场波的情况下，推导了结构弯曲振动时在 某一方向的结构声强的近似表达式，由此提出了测量结构声强的两点线性加速度 传感器方法。随后对测量过程中出现的主要误差，如有限差分误差、近场误差、 通道失配误差等进行了分析，并提出了减少误差的相应措旌【5 。】。 葛蕴珊和闫安志等人测量了无限长梁的结构声强，并分析了测量结果【5 1 , 5 2 】。 以加速度传感器测量结构声强时，由于运用了有限差分技术，无论是在近场 还是在远场，在测量结果中就不可避免地存在有限差分误差，因此，设计新的传 感器消除测量结果中的有限差分误差也是人们研究的方向之一。 1 6 论文的主要工作 由于复杂结构体是由一维的梁和二维的板等简单元素组成的，因此研究梁和 板的振动是研究复杂的三维结构体的基础。其中梁又是振动结构体中最重要的组 成部分，在工程中梁的使用也十分普遍，因此我们选择以梁作为研究对象。 以p v d f 压电薄膜为研究对象，根据它独特的积分特性，设计出正弦形状和 余弦形状p v d f 压电薄膜传感器，并对其等效的电路进行讨论，最后对两个传感 器对一维梁相关量的测量进行了数值计算和实验验证。 1 6 1 新型传感器的设计和制作 利用p v d f 压电薄膜的积分特性和积分中值定理设计出正弦形状和余弦形 状的p v d f 压电薄膜传感器，正弦传感器的电荷输出与空间的二阶微分成正比， 在一维梁中，对于远场的简谐波而言，正弦传感器的电荷输出与梁表面位移及弯 矩、应力、应变成正比：余弦传感器的电荷输出与空间的三阶微分成正比，在一 维梁中，对于远场的简谐波而言，余弦传感器的电荷输出与梁表面角速度及剪力 成正比：正弦传感器和余弦传感器配对使用时，在一维粱中，对于远场的简谐波 而言，用来测量梁的结构声强，从理论上避免了以前所用方法的有限差分误差， 并且由于p v d f 压电薄膜质量较轻，对结构的附加影响小，因而其实际应用的范 围是比较广泛的，进一步将目前的实验室产品拓宽实际的工程应用当中。 江苏大学硕士学位论文 制作传感器是用精量公司的2 8 u r n 厚的p v d f 压电薄膜，薄膜是由4 层结构， 电极形状的制作我们用了剪切加丙酮腐蚀的方法，保证了传感器有一定的非金属 化的边缘；对于电极的引出，我们的设计是将传感器上、下电极面引出错开，引 出电极是我们比较容易做到的穿透式，我们用了压接端子压接和空心小铆钉铆接 的两种方法。 1 6 2 实验验证传感器的可行性 通过实验来验证所设计的正弦、余弦形状的p v d f 压电薄膜传感器的设计可 行性，用加速度传感器的测量经过与之比较，实验是在模拟的半无限长钢梁上进 行的。 1 7 论文主要内容及安排 第l 章绪论，开始是对传感器的概念和发展作简要的说明，主要介绍国 内外利用p v d f 压电薄膜开发传感器应用研究的现状，然后是对结构声强测量研 究的国内外的现状进行介绍。 第2 章压电材料和压电方程，对石英晶体和压电陶瓷作简要的介绍，重 点对p v d f 压电薄膜的结构、简单的制备、压电性能的说明，最后对p v d f 压 电薄膜制作传感器的积分方程进行推导，并对制作和粘贴传感器的产生的偏转角 进行了讨论。 第3 章p v d f 压电传感器的设计，利用p v d f 压电薄膜设计了正弦形状 和余弦形状的p v d f 压电薄膜传感器，它们可以测量位移、速度、加速度、应变、 应力、弯矩、剪力的振动信号。 第4 章将设计好的传感器，利用p v d f 压电薄膜和其它相关材料在实验 室制作出来，最后对p v d f 压电薄膜传感器的等效电路和测量电路进行研究。 第5 章实验，通过实验来验证所设计的正弦、余弦形状的p v d f 压电薄 膜传感器的设计可行性，在模拟的半无限长钢梁上，正弦、余弦形状的p v d f 压电薄膜传感器测量位移、速度、加速度、应变、应力、弯矩、剪力以及结构声 强与传统压电加速度传感器测量的结果相比较，认为设计的传感器是可行的。 江苏大学硕士学位论文 第2 章压电材料与压电方程 在信息社会，如果没有良好的传感器，微处理机就不能很好地发挥作用。传 感器种类繁多，各有优缺点，而压电传感器具有高灵敏度和高可靠性等其他传感 器所不可媲美的优点。 p v d f 压电薄膜是一种高分子聚合材料，本章从压电效应、压电薄膜的制备、 压电薄膜性能到传感器方程的推导，让我们对p v d f 压电薄膜有一个全面的认 识，为我利用p v d f 压电薄膜制作传感器提供一个良好的基础。 2 1 压电效应 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，在晶体内产生电极化的现 象称为正压电效应或压电效应。当应力不太大时，由压电效应产生的极化强度与 应力成线性关系。当在压电晶体上加一电场时，晶体不仅要产生极化，还要产生 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。当电场不是很 强时，应变与外电场呈线性关系。 压电效应反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。 2 2 常见的压电材料和它们的压电方程 2 2 1 石英晶体 石英晶体又名水晶，它对压电技术的发展和电子工业的贡献，应追溯到1 8 8 0 年法国的物理学家居里兄弟发现石英晶体具有压电效应时算起。以后经过两次世 界大战的实际应用，石英晶体元器件成为大部分通信装置的关键部件。随着科学 技术的快速发展，压电石英晶体技术从理论到实践均得到了非常迅速的发展。 石英晶体属于无对称中心的晶体，当它在某一方向受压时，电平衡被破坏， 而产生压电效应。 9 江苏大学硕士学位论文 在应力的作用下，石英晶体的正压电效应可以表示为 而l d 1 1 0 d 1 4 00 0 00 0 一d 1 4 2 d i oo0ooo ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中d l 、d 2 、d 3 是三个方向的电位移，t 为应力，d 。为压电应力 常数，石英晶体的独立压电应力常数只有2 个，即d ，。= 2 3 1 1 0 。2 c n ， d 1 4 = 0 7 3 1 0 一”c n 。 石英晶体应用中的基本变形方式：厚度变形，长度变形，面剪切变形和厚度 剪切变形。 石英晶体的缺点是压电常数较小，所以，大多只在标准传感器、高精度传感 器或使用温度较高的传感器中用作压电元件。在一般测量要求的压电式传感器 中，压电元件基本上采用压电陶瓷。 2 2 2 压电陶瓷 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无 数细微的单晶组成，所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。 每个单晶形成一个单个电畴，无数个单晶电畴的无规律排列，使原始的压电陶瓷 不具有压电效应。为了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，在外电场去掉后，其内部仍存在着很强的剩余极化强度。当 压电陶瓷受到外力作用时。电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化， 压电陶瓷就呈现出压电效应。 锆钛酸铅( p z x ) 压电陶瓷由于压电效应强，居里温度高，各项机电参数随温 度和时间等外界因素的影响较小，因此，他是目前使用最为普遍的一种压电材料。 压电陶瓷的极化方向通常取z 轴方向。在垂直于z 轴的平面上的任何直线 1 0 江苏大学硕士学位论文 都可以取作x 轴或y 轴。对于x n n y 轴，其压电特性是等效的。压电常数d 。的 两个下标中的1 ，2 可以互换，4 ，5 可以互换。根据实验研究，压电陶瓷通常有 三个独立的压电常数。即d 引d ，。和d 。，。例如，钛酸钡( b a t i 0 3 ) 压电陶瓷的 压电应力常数矩阵为 0000 d i5 0 l k j = i oo o 一而， oo ( 2 2 ) l 以l d 3 ld 3 3 00 o j 其中，d 3 3 = 1 9 0 x 1 0 卅2 c n ，d 虬= - 7 8 t 0 - 1 2 c n ，d 1 5 = 2 5 0 x 1 0 1 2 c n 。 2 2 3 压电聚合物 压电聚合物是过去近4 0 年间研究、发展起来的类新型压电材料。对于有 机高分子压电性的认识，最早可以追溯到2 0 世纪2 0 年代，当时发现将某些橡胶 和明胶在电场下冷却，可以产生微弱的压电性。由于这种压电性很弱，一直未能 引起广泛重视。1 9 4 1 年，m a r l i n 发现角质蛋白质具有压电效应。此后一段时间 内，研究集中于生物高分子材料。2 0 世纪5 0 一6 0 年代，f u k a d a 陆续在木材、骨 头、肌腿、多糖体以及d n a 中发现正压电效应，并且证实木材中存在逆压电效 应。随后f u k a d a 还研究了合成高分子和生物高分子拉伸膜的压电效应，阐明了 光活性高分子单轴拉伸膜的压电特征，进一步拓宽了该研究领域。对于生物高分 子压电性的研究一直延续至今。人们认为，生物高分子压电性作为一种机械刺激 与人体骨骼的生长机制有关，希望此顶研究有助于发现控制或促进骨骼生长的方 法。 1 9 6 9 年，压电聚合物研究获得历史性突破。k a w a i 在对聚偏氟乙烯 ( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ，简称p v d f ) 的研究中发现，经单轴拉伸、并在高温强电 场下极化的p v d f 薄膜具有合成高分子材料中最强的压电效应，并具备工业应用 价值。2 0 世纪4 0 年代己成功合成的p v d f ，不仅具有机械强度高、化学性能稳 定、易于加工等独特性能，可作为耐腐蚀材料和绝缘材料，而且还可作为能量转 换的功能材料。由于p v d f 具有很强的压电性和热释电性，而且与其他高分子材 料一样，易于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， 江苏大学硕士学位论文 能与水或人体形成良好匹配，在自动控制、微机电一体化和生物医学工程等领域 具有广泛的应用前景。 2 3p v d f 压电薄膜 p v d f 的组成单元为c h 2 = c f 2 是出两个氟原子取代乙烯分子中的两个氢原 子构成的。由于两个氟原子都偏在一侧，与一个碳原于结合，所以称为偏氟乙烯 v d f 。 2 3 1p v d f 的组成及其压电性能 p v d f 是i 主i c f 2 c h 2 键接成的长链分子，分子量为1 0 5 数量级，1 0 3 个重复单 元，伸展长度为1 0 3 1 0 4 r i m 。p v d f 通常是半结晶高聚物，结晶度约为5 0 ， p v d f 存在着多种结晶形态，目前，已测得的p v d f 晶型有4 种【53 1 ，即i 型( b 相) ，i i 型( n 相) ，i i i 型( y 相) ，型( 6 相) 。图2 1 为p v d f 的4 种晶型的 结构示意图。 9 6 d r 图2 1p v d f 的4 种晶型的结构示意图 f i g2 1 s c h e m t i cd i a g r a mo f c r y s t a l l i t e ss t r u c t u r eo f p v d f 在晶型i ( b 相) 【5 4 】中，晶体的每个晶胞中通过两个分子链，分子链取t t 构象 江苏大学硕士学位论文 ( 平面锯齿形) ，c f 2 偶极子朝同一方向，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，每个单体偶极矩为7 0 1 0 枷c m ，自发极化强度n 为1 3 0m c m 2 。所以i 型( b 相) 是种极性晶体，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p v d f 具有大的压电效应的基本原因。 p v d f 试样通常也是晶体与非晶体的混合物，结晶度一般在5 0 左右。口相 ( 型) 是四种晶体多形体中能量最低、最稳定的结构。p v d f 由液态缓慢冷却或 由溶液流延形成薄膜时，通常都形成岱相。尽管甜相势能最低，但各相间势能差 很小。因而在适当条件下，各相间可互相转变。在不同的热处理条件、机械应力、 外加电场、甚至选择不同溶剂，都可形成不同的晶相。k a w a i 最初就是在经单轴 拉伸由a 相转变为p 相的极化p v d f 薄膜中测量到很强的压电效应。到目前为 止，单轴拉伸仍是将a 相p v d f 转变为压电口相的最常用方法。 2 3 2 p v d f 压电薄膜的实验室制备 将1 0 克的p v d f 粉末溶于1 0 0 m l 的d f m ( 二甲基甲酰胺) 中，过滤后，将 滤液倒在平板玻璃上，放入烘箱，升温至1 8 0 0 c ，保温1 个小时后，冷却至室温， 可以得到厚度为l o o u m 的薄膜。 将此流延薄膜升温到1 2 0 c 左右，拉伸至原长的4 倍，再升温定型半小时， 这样可以得到2 0 3 0 u r n 的拉伸薄膜。 将上述的拉伸薄膜放在两层铝箔中，在烘箱内升温并旖加直流电场，进行热 极化，经过一定时间后，在保持电场的情况下，逐渐冷至室温，除去电场，取出 极化的薄膜。将极化好的薄膜，用真空的方法镀上金属电极。整个过程如图2 2 所示 镀 溶解过滤制膜，拉伸极化 电极 图2 2 制备p d v f 压电薄膜的简明工艺流程图 f i g2 2 t h es i m p l ep r o c e s s e so f m a n u f a c t u r i n gp v d fp i e z o f i l m 江苏大学硕