PVDF压电薄膜传感器研究

研究成果声明含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：关于学位论文使用权的说明研究成果声明含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：关于学位论文使用权的说明许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换解密后守此定。签名：日期：导师签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要曲面材料和脆性材料表面或冲击界面上的压力测量是爆炸冲击领域是一个难点。北京理工大学硕士学位论文摘要曲面材料和脆性材料表面或冲击界面上的压力测量是爆炸冲击领域是一个难点。测试领域尤为重要。聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride，简称PVDF）压电薄膜度高、频率响应范围宽等优势，在压力传感器应用领域得到了广泛的应用。本文以PVDFPVDFPVDF传感器的工艺流程，依次利用激波管装置和落锤装置完成了对PVDF传感器的动态性测试和动态标定试验。PVDF压电薄膜的研究都是以实验室为单位进行，制作的PVDF应力20MPaPVDF传较为优化的PVDF传感器制作材料。最后对自制性能最优的PVDFPVDF传感器和标准压力传感器的电压峰值，根据灵敏度计算公式计算出超压和PVDFPVDF传感器的灵敏度曲激波管装置上测试PVDF传感器和标准传感器，结果表明两个传感器在同一个激励源下产生的超压基本吻合，说明研制的传感器可以应用于工程试验。关键词：PVDF薄膜；传感器；动态性测试；动态标定I北京理工大学硕士学位论文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北京理工大学硕士学位论文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北京理工大学硕士学位论文目录第一章绪论 11.11.2论文研究的目的和意义 1压电传感器及PVDF压电薄膜 21.2.1压电传感器 21.2.2PVDF压电薄膜的特点 3北京理工大学硕士学位论文目录第一章绪论 11.11.2论文研究的目的和意义 1压电传感器及PVDF压电薄膜 21.2.1压电传感器 21.2.2PVDF压电薄膜的特点 3国内外对PVDF压电薄膜传感器的研究现状 41.3.1国外研究现状 41.3.2国内研究现状 6文章主要研究工作 81.31.4第二章PVDF压电薄膜传感器的制作 92.1PVDF压电薄膜 92.1.1PVDF压电薄膜的结构 92.1.2PVDF压电薄膜的压电特性分析 10PVDF压电薄膜传感器等效电路模型 12PVDF压电薄膜传感器的测量方法 14传感器的制作 ..4实验材料的准备 17传感器的结构 19传感器的制作工艺 19制作过程中的注意事项 222.5本章总结 23第三章PVDF薄膜传感器的动态性测试 243.13.2PVDF压电薄膜传感器的时域动态性能指标 24激波管装置对PVDF传感器动态测试方案 2.23.2.3激波管装置简介 26激波管阶跃压力波的性质 27试验系统的建立 283.3激波管装置对PVDF传感器的动态特性测试过程及数据分析 313.3.1实验过程 313.3.2实验数据处理及分析 31本章总结 453.4第四章PVDF压电薄膜传感器的标定技术 464.1落锤装置标定PVDF传感器的实验方案 464.1.1实验原理 464.1.2实验装置 47落锤装置标定PVDF传感器的实验过程 48实验数据分析 494.24.3III北京理工大学硕士学位论文4.4PVDF传感器在激波管上的应用 564.5北京理工大学硕士学位论文4.4PVDF传感器在激波管上的应用 564.5本章总结 58结论 59参考文献 60致谢 63IV北京理工大学硕士学位论文第一章绪论1.1论文研究的目的和意义北京理工大学硕士学位论文第一章绪论1.1论文研究的目的和意义和开发的热点[1]。爆炸和冲击下物体表面或冲击界面上的压力的测量一直是爆炸冲击工程领域中求传感器成本不能太高[2]。这就需要我们研究出一种传感器，不仅要满足在测量物体表面或冲击界面上的冲击压力时不用破坏构件的完整性，而且还要成本低廉。[3]。聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride，简称PVDF）压电薄膜是一种新型的高分子材料，是一种高结晶度的含氟化合物。由于PVDF压电薄膜极薄、质地柔软、响1北京理工大学硕士学位论文应快、灵敏度高、韧度高、频率范围宽、测压范围大、经济性好等诸多优点，因此在许多领域得到了广泛的应用，是一种越来越受新型压电材料。PVDF压电薄膜凭借着前景。北京理工大学硕士学位论文应快、灵敏度高、韧度高、频率范围宽、测压范围大、经济性好等诸多优点，因此在许多领域得到了广泛的应用，是一种越来越受新型压电材料。PVDF压电薄膜凭借着前景。对PVDF压电薄膜的研究在国际上开始的较早，国内在这方面的工作开始的比较PVDF压电薄膜传感器的标准化和规模化成为研究和需要解决的主要问题[4]。因此，本文从基础研究理论开始，通过对PVDF薄膜材料压电特性、传感机理的分析，得出实验室制作传感器的工艺流程，PVDF压电薄膜传感器进行标定试验，这对于低压状态下PVDF压电薄膜传感器的研究有重要的意义。1.2压电传感器及PVDF压电薄膜1.2.1压电传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准(GB665—87)中对传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的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。压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。所以压电传感器是将机械能转化为电能，属于典型的有源传感器。材料是关键，选用时应注意以下几个方面：1）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的刚度大，强度高，以获得较高的固有振动频率和较宽的线性范围；2）转换性能：具有较大的压电常数；3）电性能：希望具有较大的介电常数和较高的电阻率，以减弱外部分布电容的2北京理工大学硕士学位论文影响和良好的低频特性；4）居里点要高，以得到较宽的工作温度范围；5）时间稳定性：压电特性不随时间变化而改变。北京理工大学硕士学位论文影响和良好的低频特性；4）居里点要高，以得到较宽的工作温度范围；5）时间稳定性：压电特性不随时间变化而改变。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。石英和压电陶瓷虽然是两大类性能较好的压电材料，但这两类材料具有密度大、而PVDF作为一种新型的高分子聚合物型压电材料很好的克服了这些困难，表现在质量轻、机械强度高、柔顺性好、高弹性、高电压输出、高介电强度，频率响应范围宽等方面。基于上述原因，由PVDF压电薄膜制成的元器件已在多种领域中获得应用。1.2.2PVDF压电薄膜的特点PVDF是一种新型的高分子聚合物型压电材料。自1969年日本的Kawai发现PVDF薄膜的压电特性以来，经过几十年的发展，PVDF压电薄膜的优越性能已体现在社会中的各个方面，由PVDF压电薄膜制成的元器件逐渐走向实用化阶段。PVDF用于制作压电传感器有以下优点[5]：1）压电常数d参数比石英高十多倍。虽然比PZT低，但作为传感材料更重要的一个特征参数g的值比PZT高20倍左右。5um到lmm因此适于做大面积的传感阵列器件。3）声阻抗低，为3.5×106Pa.s/m，仅为PZT压电陶瓷的1/10，它的声阻抗与水、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10-5—109Hz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PVDF的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6）高介电强度：可耐受强电场作用(75V/um)，此时大部分陶瓷已退极化。PZT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502胶来粘贴固定。3北京理工大学硕士学位论文但是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。北京理工大学硕士学位论文但是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。1.3国内外对PVDF压电薄膜传感器的研究现状1969年，日本Kawai发现极化后的高分子材料聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride，简称PVDF）具有压电特性，其后，PVDF压电薄膜就开始成为人们的重点PVDF用，同时，这也加快了世界各国科学研究者对PVDF薄膜传感器的研究步伐。1.3.1国外研究现状（1）爆炸、冲击测量领域PVDF作为传感器，可应用于冲击、爆炸测量领域，国外学者对它的一些特性，例如量程、频率响应、信号上升时间、灵敏度的影响因素等方面作了大量的研究：比ChunLee，HoHsunTsai等人构建了一组PVDF传感器阵列，通过落球试验和气炮冲击试验研究了传感器的动态特性，落球试验证实了阵列中传感器相互之间的干扰很小，干扰值不超过2％；气炮冲击试验在试验手法上实现了PVDF传感器阵列标定的同时性，从各个PVDF输出值上来看，传感器阵列在接受相同的气压冲击时，输出结输出信号的平均上升时间仅为31ns，适合测量冲击压力。作者还提出在具体的试验过程中必须考虑导致传感器响应频率降低的因素，例如基底材料因素、电极因素，粘贴材料因素等，这些因素的变化将导致传感器的响应频率与理论不一致[7]。通过摆球试明PVDF传感器准确的复现了作用在其上的不同的冲击信号。FrancoisBauer提出经选择和精确极化的标9mm2PVDF压力计能够精确的对25Gpa的压力做出响应，lmm2的压4北京理工大学硕士学位论文力计可以精确的对外界高达12Gpa压力做出响应。爆炸冲击压力作用后，粘贴有衬底北京理工大学硕士学位论文力计可以精确的对外界高达12Gpa压力做出响应。爆炸冲击压力作用后，粘贴有衬底的方法制作的PVDF计对于压力测量的峰值输出偏差不超过10%，证明了其有能力应其输出结果不依赖于加载方式；通过使用激光干涉法测试PVDF计中粒子的速度变化，发现与PVDF计中压力变化过程具有一致性。（2）应变测量领域KnappJ等人用PVDF压电薄膜做动态应变测量，与箔片应变计和半导体应变计比较，PVDF压电薄膜灵敏度高，线性好，但不适合作静态测量[11]。Hood等人在理论和实验中分析了PVDF压电薄膜作为声学传感元件和应变传感元件中的传递函数的的响应有着明显一致的趋势[12]。2002zander和RKummel用PVDF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比较[13]。2004P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[14]。（3）结构模态测量领域LEEC.K.于1990年利用PVDF压电薄膜有特殊的积分特性，推导出了PVDF的PVDF的输出电荷正比于薄板法向位移的二次导数在压电薄膜作为传感器粘贴在悬臂梁上，通过设计PVDF的形状，测量出了其特定的结构模态的模态速度。进入21世纪以后，RongliangChen和Borwang在2004年利用方形PVDF压电D和P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PVDF压电薄膜形状传感器[17]。KimJ在2002年等人将多层的PVDF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[18]。（4）医学领域2006choi和ZhongweiJiang研制了一种新型佩戴式心肺信号传感器设PVDF薄膜和5北京理工大学硕士学位论文一对导电织物薄板组成，并设计了信号调理电路，然后将信号经USB通信模块与计北京理工大学硕士学位论文一对导电织物薄板组成，并设计了信号调理电路，然后将信号经USB通信模块与计年JavadDargahi和RaminSedaghati利用PVDF薄膜柔软的特点，开发了用于齿形触觉检查的内窥镜传感器，可以对敏感性组法[20]。1.3.2国内研究现状（1）爆炸冲击测量领域年席道瑛等首次用SHPB装置对PVDF应力计的动态应变常数进行了标定，并且研究了应力波在砂岩中的衰减规律。刘剑飞和胡时胜等人在长37mmSHPB装置上用PVDF应力计研究了低阻抗材料冲击压缩力学性能[21]。温殿英和林其文在2000年应用冲击加载技术，通过数值和实验模拟得到了PVDF释放电荷的q(t)与冲击波压力p(t)，给出了峰值压力pmax电荷qmax的关系，从而建立了PVDF膜的冲击电响应的数值模拟方法和理论模型[22]。2002年，杜晓松等人通过分析PVDF作为冲击压力传感器的特点，标定了PVDF在PVDF压电薄膜未能研究透彻的影响因素[23]。李焰，张向荣等人于2004年对两种厚度的国产PVDF压电薄膜，用轻气炮和激波管将冲击加载应力—电荷曲线进行了标定，并与国内外的其它若干种PVDF标定曲线进行了对比和分析；采用同时测量质点速度和阶梯卸载的方法，研究了PVDF压电薄膜的冲击卸载响应特性等特性[24]。2008年，张智丹、纪松等人研究了PVDF压电薄膜和压电陶瓷在冲击载荷作用下的响应时间、输出线性度和灵敏度。结果表压电薄膜在冲击载荷为0—500MPa压电薄膜比压电陶瓷具有更快的响应速度[25]。2009研究了PVDF薄膜在一维应变下和低压下的压电特性，利用立式霍普金森压杆和一级轻气炮标定了自制PVDF压力传感器的压电曲线，实验表明：该应力传感器频响高，波形稳定，线性度良好，拟合灵敏度系数K值在0—20MPa和100—450MPa压力范围分别为14.96pC/N和11.9pC/N，可以基本满足动态冲击应力测试的要求[26]。（2）测量结构应变江苏大学的赵东升通过对PVDFPVDF压电薄膜PVDF压电薄膜的积分特性设计出6北京理工大学硕士学位论文正弦形状和余弦形状的传感器，并推导出在远场简谐波情况下的正弦形状和余弦形状北京理工大学硕士学位论文正弦形状和余弦形状的传感器，并推导出在远场简谐波情况下的正弦形状和余弦形状PVDFPVDF输出信号作为所需要的振动结构构体积位移[28]。哈尔滨工业大学的具典淑利用PVDF变变化或者有裂缝产生时，PVDF能够产生明显的脉冲特征[29]。大连理工大学针对目前PVDF压电薄膜在船舶与海洋工程结构表面应变传感应用方面存在的一些缺陷，提下的PVDF输出电压，从而对结构的损伤进行检测，该方法主要优点是操作简单，能够节省大量的人力物力[30]。（3）触觉测量PVDF在触觉测量的应用方面主要是在机器人的机械手上面。清华大学的姜明文PVDF作为敏感元件，研制了一种能感知触滑觉的智能假手，当假手接触到物体时，传感器产生一个阶跃响应，而当物体滑动时，导致点阵状结构表皮振动，产生交变的滑动响应信号，这样传感器可以检测并判断出触、滑觉信号[31]。杭州电子科技大学的罗志增教授研制了基于PVDF感器，将该传感器装配至机械手上，成功的进行了一系列的传感器数据信息融合的实验[32]。中科院合肥智能研究所的卢朝洪等人利用了PVDF压电薄膜的压电敏感特性，设计了一种用于机器人手爪的接触力传感器，该传感器可很好地满足机器人手爪的要求，为机器人手爪提供接触力信息，以实现稳定可靠地抓取[33]。（4）医学方面第四军医大学的李鸿波使用PVDF压电薄膜制成传感器测试人的牙齿咀嚼力及松PVDFPVDF压电薄膜做脉像传感器，采集和记录人体的脉像信息，然后送双通道数据处理单元进行数据处理，再通过微机屏幕显示出一系列的信息[36]。山东大学王7北京理工大学硕士学位论文脉搏信号的仿生手诊用的PVDF北京理工大学硕士学位论文脉搏信号的仿生手诊用的PVDF验，但还没有达到标准化、商业化的程度[37]。1.4文章主要研究工作论文主要针对应用于爆炸冲击压力测量方面的PVDF压电薄膜传感器进行研究。详细分章为：压电传感器和PVDF压电薄膜进行简单的阐述，指出了PVDF后对PVDF压电薄膜传感器在国内外的发展现状进行了介绍。第二章，PVDF压电薄膜的制作。本章首先从理论方面对PVDF压电薄膜进行研PVDFPVDFPVDF传感器的等效电路模型和测量方法进行了研究。通过以上分析，确定了实验室制作PVDF传感器的工艺流程，并指出制作过程中的注意事项。第三章，PVDF传感器的动态性测试。对PVDF传感器的动态性测试我们采用激PVDF传感器动态特性试验系统，并进行试验；通过动态性试验，比较了PVDF传感选出来性能较为优化的制作传感器的材料。第四章，PVDF压电薄膜传感器的标定技术。本章使用落锤装置对PVDF压电薄膜传感器进行标定，通过标定试验，得出试验波形、数据，通过计算拟合得到PVDFPVDF压电薄膜传感器与标准传感器进行对比试验，实验结果表明该PVDF薄膜传感器性能良好，可以用于工程应用。论文的最后是对本文章所做工作的总结，并对下一步的工作进行展望。8北京理工大学硕士学位论文第二章PVDF压电薄膜传感器的制作爆炸冲击下测试曲面或脆性材料表面的压力比较困难，设计一种能够直接粘贴在材料表面的传感器十分必要。PVDF作为新型有机聚合物材料，其压电性能好，压电常数d33北京理工大学硕士学位论文第二章PVDF压电薄膜传感器的制作爆炸冲击下测试曲面或脆性材料表面的压力比较困难，设计一种能够直接粘贴在材料表面的传感器十分必要。PVDF作为新型有机聚合物材料，其压电性能好，压电常数d33比较高，是石英材料的十几倍，且PVDF柔和加工性能好，机械强度高，化Gpa级。基于上述优点，PVDF在动态压力测量领域有应用前景广阔。为了利用PVDF传感器测试动态压力，首先需要制作PVDF绍了PVDFPVDF压电薄膜传感器的等效电路模型，通过以上几方面的学习，可以对PVDF压电薄膜有更全面的了解，为实验室制作PVDF压电薄膜传感器打下良好的理论基础。2.1PVDF压电薄膜2.1.1PVDF压电薄膜的结构PVDF是一种半结晶型高聚合物压电材料，由重复单元单体聚偏氟乙烯（CF2—CH2）的长链分子构成。分子量为105个数量级，103个重复单元，伸展长度为103—104nm。PVDF通常是半结晶高聚物，结晶度约为50%，非结晶相具有过冷液体的特性，其玻璃花温度为Tg为-35℃。目前，己测得的PVF晶型有四种[]，即I型（β相、I型（α相、I型（γ相、V型（δ相。图2.1为PVF的四种晶型的结构示意图。图2.1 PVDF的四种晶型结构示意图9北京理工大学硕士学位论文4种晶型中只有I型（β相）才具有自发极化性，β北京理工大学硕士学位论文4种晶型中只有I型（β相）才具有自发极化性，β相是一种铁电体相，PVDF压电薄膜的压电性能随着β晶型含量的增加而增加。在β晶型中，晶体的每个晶胞中通过两个分子链，分子链取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7.0×10－30C·m，自发极化强度Ps为130×10－3C·m－2，具有永久极化性质。所以I型(β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。Ⅱ型(α相)是4由液态缓慢冷却或由溶αPVDF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，各相间可都可形成不同的晶相。Kawai当初就是在经单轴拉伸由α相转变为β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拉伸将α相PVDF转变为压电β相[39,40]。2.1.2PVDF压电薄膜的压电特性分析PVDF压电薄膜的压电特性主要取决于以下两个方面：一是PVDF薄膜的结晶相本征压电性。电致伸缩效应与剩余极化效应决定了结晶相本征压电性，当PVDF压电PVDF材料的内部结构的晶区与非晶相的介电常数具有不同的应变特性，这时电致伸缩效应会导致薄膜压电性能的产生。应变发生变化，PVDF压电薄膜结构内部的晶区极化强度也会跟着发生变化，进而压电特性就在晶区内产生。二是PVDF压电薄膜的尺寸效应。这种效应是指，PVDF压电薄膜的厚度变化会产生压电性，而这种压电性产生的前提是偶极子为刚性。当薄膜的厚度增加时，膜表面的诱导电荷会减少，反之诱导电荷会增加。当PVDF用来制作传感器时，我们主要考虑机电耦合与正压电效应之间的关系，对应的压电方程为[41]：10北京理工大学硕士学位论文DTE（2.1）其中： T 1T2T为应力矩阵，且= ，下标1、2、3同样代表三个应力方向，其中1，T3T4 T5 T 6T2，分别代表三个方向的正应力，T4，T5，T6代表不同方向的剪应力，单位是北京理工大学硕士学位论文DTE（2.1）其中： T 1T2T为应力矩阵，且= ，下标1、2、3同样代表三个应力方向，其中1，T3T4 T5 T 6T2，分别代表三个方向的正应力，T4，T5，T6代表不同方向的剪应力，单位是Pa；d为压电常数矩阵，各元素单位是C/N；εT为自由介电常数矩阵；E为电场强度矩阵；D 1D为电位移矩阵，即面电荷矩阵，D= ，下标1、2、3分别代表了不同的方D2 D3向。在电场强度E=0，电学输出短路的条件下对PVDF压电薄膜施加应力T，那么PVDF压电薄膜会将将外界的力学量转化成电信号输出，最终会在晶体表面会产生相应的电响应。因此，PVDF压电薄膜的压电方程可简化为：D dT其中d是三行六列的压电常数矩阵，如式（2.3）所示：(2.2)ddddddddddddddddd111213141516d212223242526(2.3)d363132333435经过极化处理后的PVDF压电薄膜压电常数矩阵为[42]：d0000000015dd 000mn24(2.4)d0dd0313233对于PVDF压电薄膜，设其极化方向为3，那么极化后的PVDF压电薄膜属于六北京理工大学硕士学位论文角晶系(6mm点群)，PVDF压电薄膜的压电方程是：1 2D0d 0000000115003北京理工大学硕士学位论文角晶系(6mm点群)，PVDF压电薄膜的压电方程是：1 2D0d 0000000115003(2.5)D d 2244Dddd003 31 32335 6PVF压电薄膜上产生的最大的压电常数是在拉伸方向产生压电常数d3而最小的压电常数则是垂直于拉伸方向的压电常数d32PVDF压电薄膜剪切力方向的压电常数都为0，故PVDF压电薄膜不能测量剪切力，这是因为PVDFPVDF的压电方程式为：(2.6)PVDF压电薄膜受拉伸或弯曲产生横向压电效应。2.2PVDF压电薄膜传感器等效电路模型PVDF压电薄膜之所以能用来制作传感器，主要是基于该材料的正压电效应：如果在PVDF压电薄膜上施加一个外力使薄膜变形，那么偶极子原来的排列状况会因为变形而被打乱，进而破坏薄膜的电中性，暂时性的剩余电荷就会出现在薄膜的表面，也就是说，与所受力相对应的电信号将会出现在垂直薄膜表面。实际上，PVDF压电薄膜的形变过程只是表现为存在表面电荷，而不是真正产生电荷。经过电荷放大器的作用，微弱的电荷信号被转变为对应的电压信号，供数据采集卡采集，如图所示。12北京理工大学硕士学位论文图2.2 PVDF传感机理示意图由以上PVDFPVDF薄膜会在其两侧有压电晶体的两级表面聚集电荷时，又可把它视为一个电容器，其电容量为：北京理工大学硕士学位论文图2.2 PVDF传感机理示意图由以上PVDFPVDF薄膜会在其两侧有压电晶体的两级表面聚集电荷时，又可把它视为一个电容器，其电容量为：0AC(2.7)ah式中：ε——压电材料介电常数，F/m；A——薄膜面积，m2；H——薄膜厚度，m。因为该传感器即可等效为电容器又可以等效为电荷源，所以可以把PVDF传感器等效为一个电荷源与电容器相并联的电荷等效电路，如图2.3所示。开路状态时输出端电荷为Q(2.8)图2.3PVDF压电薄膜传感器的电荷等效电路其中Ra为PVDF压电薄膜传感器的泄漏电阻，是指压电元件内部及其在空气中13北京理工大学硕士学位论文存在的电荷泄漏。在实际工作时，要利用电缆将PVDF压电传感器接入测量线路（这样就引入了电缆分布电容Cc）测量放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci北京理工大学硕士学位论文存在的电荷泄漏。在实际工作时，要利用电缆将PVDF压电传感器接入测量线路（这样就引入了电缆分布电容Cc）测量放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci2.4所示的完整等效电路。图2.4 PVDF压电薄膜传感器完整等效电路2.3PVDF压电薄膜传感器的测量方法从以上分析可知，PVDF压电薄膜实际上等效于一个电容电路模型，当PVDF薄膜受到拉伸或弯曲变形时，电容中的电荷量会产生变化，因此以该薄膜制作的传感器的测量电路一般要和一个输入阻抗较高的前置放大器相连接，这是因为PVDF压电薄放大传感器输出的较小信号；第二，把前置放大器的高输出阻抗转换为低输出阻抗。由于PVDF压电薄膜传感器的输出可能是电荷输出，也可能是电压输出，所以对应的电荷放大器既可以是电荷放大器，也可以是电压放大器[43]。下面主要介绍以上两种放大模式。（1）电荷放大模式电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，如图（2.5）所示。当放大器反馈电阻、输入电阻和开环增益相当大时，放大器的输出电压Uout与输入电荷q成正比，即U(2.9)CCCKacif式中各个参数的含义：K—放大器的开环增益；14北京理工大学硕士学位论文Ca—PVDF压电薄膜传感器的电容；Cc—电缆电容；Ci—放大器的输入电容；Cf—北京理工大学硕士学位论文Ca—PVDF压电薄膜传感器的电容；Cc—电缆电容；Ci—放大器的输入电容；Cf—放大器的反馈电容。如果放大器的开环增益K足够大，那么(1+K)Cf>>Ca+Cc+Ci，这样上式就可以写为(2.10)qUCf范围在100～10000pF的可选择反馈电容。前置级的输出大小可以通过选择不同电容常会并联一个能够提供直流反馈的电阻大约这样既可以减小零漂，又可以提高放大器的工作稳定性。图2.5 PVDF压电薄膜传感器与电荷放大器等效电路－6电荷放大器的上限频率为100KHz，下限截止频率fL为10 Hz，时间常数RfCf相当（105s以上输出阻抗小于100欧姆因此PVF压电薄膜传感器和电荷放有效的测量。15北京理工大学硕士学位论文(2)电压放大模式下图为PVDF压电薄膜传感器与电压放大器配套使用时的等效电路。等效电阻R为RaRiR(2.11)RaRi图2.6 PVDF压电薄膜传感器与电压放大器连接的等效电路等效电容为CCe Ci(2.12)假设d3方向北京理工大学硕士学位论文(2)电压放大模式下图为PVDF压电薄膜传感器与电压放大器配套使用时的等效电路。等效电阻R为RaRiR(2.11)RaRi图2.6 PVDF压电薄膜传感器与电压放大器连接的等效电路等效电容为CCe Ci(2.12)假设d3方向的应变力就是作用在PVF压电薄膜上的力那么在PVDF压电薄膜上产生的电压值为dFsinqU 33m (2.13)aCCaa继而得到前置放大器的输入电压幅值Uinm为dFR33mU(2.14)1R2C2CCaei在理想情况下，假设放大器的输入阻抗Ri和传感器的绝缘电阻Ra都趋近于无穷放大器的输入电压的幅值Uam为16北京理工大学硕士学位论文dF33m(2.15)CaCeCi2.4传感器的制作通过以上对PVDFPVDF电特性、等效电路模型及传感器的为制作PVDF北京理工大学硕士学位论文dF33m(2.15)CaCeCi2.4传感器的制作通过以上对PVDFPVDF电特性、等效电路模型及传感器的为制作PVDF传感器打下了良好的基础。2.4.1实验材料的准备通过对PVDF材料的压电特性、等效模型的分析，对其特征有所掌握，因此针对其特征，课题中通过选用锦州科信电子材料有限公司生产的PVDF压电薄膜来制作用于爆炸冲击力测试的薄膜传感器。该PVDF压电薄膜的主要技术性能指标如表2.1所示。表2.1PVDF压电薄膜的主要技术性能指标参数性能指标压电应变常数d33相对介电常数(ε/ε0)21±1PC/N9.5±1.0(1KHz)声速C2000m/s机电耦合系数K33体积电阻率R热释电系数P探测灵敏度(4Hz)10~14％1013Ω.cm340c/cm2.K表面电阻使用温度T密度ρ－40~80℃1.78×10Kg/m3弹性模量2.5—3GPa锦州科信电子材料有限公司生产的PVDF压电薄膜是由铝电极和敏感材料组成的三明治结构。如图2.7所示。17北京理工大学硕士学位论文图2.7 PVDF压电薄膜示意图由于PVDF薄膜表面电极很薄，所以不能用常规的焊接方式将电极引出，本课题将通过使用导电银胶的方法把电极用导线引出。常温固化导电银胶的的参数如表所示。2.2表2.2常温固化导电银胶的的参数参数单位或条件组分A、B双组份外观银灰色粘稠状膏状混合质量比1:1固化时间65℃/60min抗弯强度5.5MPa(12200Psi)25℃剪切强度(铝到铝)5.5MPa(800北京理工大学硕士学位论文图2.7 PVDF压电薄膜示意图由于PVDF薄膜表面电极很薄，所以不能用常规的焊接方式将电极引出，本课题将通过使用导电银胶的方法把电极用导线引出。常温固化导电银胶的的参数如表所示。2.2表2.2常温固化导电银胶的的参数参数单位或条件组分A、B双组份外观银灰色粘稠状膏状混合质量比1:1固化时间65℃/60min抗弯强度5.5MPa(12200Psi)25℃剪切强度(铝到铝)5.5MPa(800Psi)36×10－6/℃线导热系数导热率7.2W/m.K使用温度范围－40℃—150℃20℃体积电阻率0.002Ohm-cm由表可以看出，当导电银胶在常温下固化后，其剪切拉伸强度高达0.7MPa（每平方英寸超过1000磅，而它的体积电阻率却只有0.0001.m3。因此，由导电银胶可在常温下固化，完全满足制作PVDF压电薄膜传感器的需要。除了上述材料外，制作传感器前还应准备好薄铜片、铜导线、剪刀、丙酮、和封装材料等。18北京理工大学硕士学位论文2.4.2传感器的结构所研制传感器需要粘贴在曲面材料或脆性材料的表面，用来测定表面材料受到的冲击力，所以首先要把PVDF薄膜做成传感器的感芯。使用的北京理工大学硕士学位论文2.4.2传感器的结构所研制传感器需要粘贴在曲面材料或脆性材料的表面，用来测定表面材料受到的冲击力，所以首先要把PVDF薄膜做成传感器的感芯。使用的PVDF压电薄膜是由上下铝电极和中间PVDF敏感材料组成的三明治结构。试验中剪裁下一定面积的薄膜材料作为感芯，由于表面铝电极很薄且PVDF薄膜承受的温度不能超过图2.8所示。图2.8 PVDF压电薄膜传感器的感芯结构示意图层。2.4.3传感器的制作工艺PVDF压电薄膜作为敏感材料，有很多的优点，性能优异，有很大的发展空间，但是PVDF压电薄膜很薄，在μm量级，质地脆弱，抗剪能力差，并且电极涂在外表外，PVDF薄膜还容易受到外界电子干扰，对实验结果有较大的影响。因此，必须采取有效的封装措施对敏感材料加以保护，提高它的耐久性和稳定性。由于实验需要和薄膜本身的性质，要求封装材料及工艺必须能保证PVDF压电薄力能够有效的传递到PVDF压电薄膜上。实验室中制作PVF薄膜传感器的工艺流程主要包括薄膜形状的确定薄膜切割、边缘化处理、电极的引出、加保护层等步骤，具体实验流程如图所示。19北京理工大学硕士学位论文图2.9 实验室制作PVDF薄膜传感器的工艺流程（1）薄膜形状确定北京理工大学硕士学位论文图2.9 实验室制作PVDF薄膜传感器的工艺流程（1）薄膜形状确定在本课题中将PVDF薄膜形状剪切为Φ10mm圆形和5×10mm2感芯和方形感芯对传感器性能的影响，使用的PVDF压电薄膜的厚度分别为30um、50um、100um。（2）薄膜切割在剪裁PVDF压电薄膜时要注意其极化方向与所设计传感器方向一致。由于圆形PVDF薄膜比较难切割，所以我们是委托北京工业大学激光研究实验室用激光切割技术加工的圆形膜片。方形PVDFPVDF压电薄膜上用铅笔轻轻地标记出所设计的薄膜形状，此时标记出的形状要比需要的形状稍大一点，留出非金属化边缘和引出电极的部分。根据标出的尺寸用锋利的剪刀剪裁，剪裁时无法避免的会造成人为误差，因此用游标卡尺对裁剪下的薄膜进行二次测量，以确保薄膜尺寸的精确。切割后，薄膜表面的铝电极在剪裁过程中很容易出现毛刺，可能会导致PVDF压量注意薄膜边缘的平整度。(3)非金属化边缘实现PVDF压电薄膜的非金属化边缘处理，最后用万能表检测处理过的薄膜是否会发生短路。(4)引出电极由于PVDFPVDF压电薄膜中将采用导电银胶把PVDF压电薄膜和薄铜片粘接的的方式引出电极，采取同向反面引出PVDF压电薄膜的上下两电极面的方法。20加保护层引出电极非金属化边缘薄膜切割薄膜形状的确北京理工大学硕士学位论文会因为导电银胶和铜导线的粘着面积较小而使得粘着力不够，进而影响自制传感器的北京理工大学硕士学位论文会因为导电银胶和铜导线的粘着面积较小而使得粘着力不够，进而影响自制传感器的把PVDF压电薄膜和铜箔表面清洗干净。与PVDF压电薄膜接触的薄铜箔的面积是3×5mm2，露出电极的薄铜箔则可以剪裁的尽可能的细，这样既可以PVDF压电薄膜和屏蔽线之间的距离，使得电荷信号受强了引出导线的粘着度。实验中采用的是AB双组份的导电银胶，在使用导电银胶时，首先在室温下放置20分钟左右，等到其软化后分别用两只丙酮清洗过的玻璃棒从装有A组份和B组份的瓶中取出A、B两种组份，然后用天平称重，使得两种组分的质量相等。把取出的质量相等的A组份和B组份放在干净的玻璃片上用玻璃棒混合，取适量的混合后的避免上下电极发生短路，导电银胶涂抹的越薄越好。最后把粘合好的PVDF压电薄膜和薄铜片放在常温下固化，这就完成了电极的引出步骤。（5）加保护层由于本课题中的PVDF造成电极损坏，需要在压电薄膜传感器的两面加保护层。为了不影响传感器的性能，选择聚酰亚胺和聚对苯二甲酸类塑料（PET）两种绝缘材料对传感器进行封装，保护层和压电薄膜传感器之间用环氧树脂胶进行粘结。这样也可以避免传感器在使用过程中出现褶皱，保持较好的平整度。最后，在上下两用绝缘胶带粘贴住薄铜片与铜导线的焊接处。21北京理工大学硕士学位论文图2.10 PVDF压电薄膜传感器为了测试不同因素对传感器性能的影响，制作的传感器使用北京理工大学硕士学位论文图2.10 PVDF压电薄膜传感器为了测试不同因素对传感器性能的影响，制作的传感器使用不同厚度的PVDF薄膜，薄膜的形状为Φ10mm2圆形和5×10mm2方形，绝缘胶为室温2.4.4制作过程中的注意事项因为PVDF压电薄膜本身是具有容性的，所以它的抗电磁干扰能力比较弱，在数可以采取使用同轴电缆和加屏蔽件的方法。对PVDF压电薄膜进行非金属化边缘，引出电极上下错开以及涂抹导电银胶是要尽量的薄，这些措施都是为了防止传感器在厚度方向上发生短路。短路情况。22北京理工大学硕士学位论文2.5本章总结本章首先从理论方面对北京理工大学硕士学位论文2.5本章总结本章首先从理论方面对PVDFPVDF压电薄膜的PVDF传感器的等效电路模型、测量方法进行了分析，制定了PVDF传感器的实验室制作工艺，包括薄膜形状的确定、薄膜切割、非金属化边缘、PVDF传感器过程中的注意事项进行了总结。23北京理工大学硕士学位论文第三章PVDF薄膜传感器的动态性测试由于本课题研究的PVDF北京理工大学硕士学位论文第三章PVDF薄膜传感器的动态性测试由于本课题研究的PVDFPVDF传感器的动态性能的进行研究。在PVDF薄膜已经选定的来，从而根据其动态性特征进行合理利用。3.1PVDF压电薄膜传感器的时域动态性能指标在对传感器系统进行动态校准前，首先要选择适当的激励信号作为传感器的输入信号。动态测试目的是为了获得传感器系统的动态特性，对动态激励信号的要求，主要是所选用的动态激励信号能将被传感器的全部模态都激发出来，即其频谱宽度应大于被校准压力传感器的通频带，以便能得到压力传感器的完整的动态响应。因此，考察传感器的动态响应特性，其激励源加载到标准压力传感器上的特征波形如图所示：图3.1 标准压力传感器输出的动态压力信号24北京理工大学硕士学位论文的响应曲线还具有直观、可比性强的特点。图3.2 单位阶跃过渡过程对类似如图3.2北京理工大学硕士学位论文的响应曲线还具有直观、可比性强的特点。图3.2 单位阶跃过渡过程对类似如图3.2所示衰减振荡的单位阶跃响应，动态性能指标通常定义为：响应速度的一种度量，从另一角度看，也反映了波形传递的失真度，上升时间越长，响应速度越慢，失真越大；（2）峰值时间tp：指响应超过终值到达第一个峰值所需的时间。（3）调节时间ts：指响应到达并保持在终值±95%(或±98%)内所需的最短时间，或称为响应时间。（4）超调量σ：指响应的最大偏离量与终值之差的百分比，即th ) p h(3.1)上述四个动态性能指标，基本上可以体现系统动态过程的时域特征。通常用tr、tp评价系统响应初始段的快慢；用σ评价系统的阻尼程度，反映系统响应过程的平稳性；而st是同时反映响应速度和阻尼程度的综合性指标。25北京理工大学硕士学位论文跃响应光滑整齐，所以在这种曲线上计算时域动态性能指标才比较合理。3.2激波管装置对PVDF传感器动态测试方案北京理工大学硕士学位论文跃响应光滑整齐，所以在这种曲线上计算时域动态性能指标才比较合理。3.2激波管装置对PVDF传感器动态测试方案目前，冲击加载试验方案主要有：轻气炮装置，压力最大可达到35GPa以上；Hopkinson压杆，其压力上升时间为十几到几十微妙，可达到的最大压力为500MPa为200MPa左右；激波管，它能提供上升时间极短的阶跃压力，对分析传感器的动态PVDF压电薄膜传感器进行动态测试试验。3.2.1激波管装置简介图3.3为一种激波管阶跃力发生装置，高压气源经减压器通向高压段，调节减压器使它的出口压力逐渐增高。当高压段压力升高到一定值时，膜片受压破裂，从而在低压段形成激波，它以很高的速度沿低压段方向传播，并在激波前后形成很理想的压力阶跃，被测试的PVDF传感器安装在低压段的尾部端面上，受到正阶跃力的作用。采用这种方案在小压力值时可实现较陡峭时延的正阶跃信号，但很难实现大力值。其时间大于5ms，其激波介质多数是气体的，也有水激波式，设备简单，使用方便。图3.3 激波管示意图PVDF传感器属于小阻尼线性系统，它对阶跃压力信号的响应为振幅衰减至稳定输出的振荡信号。用于冲击波测试系统校准的激励，其带宽至少要达100KHz，因为装置。它有三大特点（1）压力幅值范围广，便于改变压力值（2）频率范围宽26北京理工大学硕士学位论文（2Kz~2.5MHz，可充分覆盖被校压力传感器的各种模态（3）便于分析和处理实冲击波同属激波信号，有利于校准与实测保持一致。3.2.2激波管阶跃压力波的性质激波管产生的典型波形如图3.43间Rt及持续时间τ北京理工大学硕士学位论文（2Kz~2.5MHz，可充分覆盖被校压力传感器的各种模态（3）便于分析和处理实冲击波同属激波信号，有利于校准与实测保持一致。3.2.2激波管阶跃压力波的性质激波管产生的典型波形如图3.43间Rt及持续时间τ。当时间t＞(tR+τ)以后，实际标定中用不着，故不去研究。图3.4激波阶跃压力信号（1）上升时间tR将决定能标定的上限频率。若tR大，阶跃波中所含高频分量必然相应减少。通常采用tR为正弦波的四分之一周期来估算阶跃波形的上限频率：T1tR4(3.2)式中fmax、Tmin为阶跃波频谱中的上限频率及其周期。实验证明，激波管产生的阶跃波，通常其上升时间tR<710s，因此，上限频率可达2.5MHz。而被测试PVDF传感器的固有频率低于1MHz，所以可完全满足要求。（2）持续时间τ将决定可能标定的最低频率，标定时在阶跃波激励下传感器将10τ可用下式表示f(3.3)从精度和可靠性出发，τ尽可能大些为好。一般激波管τ=5~10ms，因此可标定27北京理工大学硕士学位论文的下限频率fmin>2KHz。一般压阻式压力传感器在2KHz北京理工大学硕士学位论文的下限频率fmin>2KHz。一般压阻式压力传感器在2KHz频率以下，都具有良好的平传感器校准的频率要求。3.2.3试验系统的建立激波管用于PVDF传感器动态测试时，激波管产生一个阶跃压力作为标准信号加载在标准传感器和PVDF传感器上，通过对传感器的输出响应来分析压力传感器的实3.5是激波管动态压力校准装置产生的典型的阶跃压力信号，人们利用第一个脉冲作用在压力传感器上产生的响应来校准和分析压力传感器的特性图3.5激波管产生的阶跃压力信号本课题构建了以激波管为激励源的动态特性试验系统，其试验系统构成主要由PVDF压电薄膜传感器、标准压力传感器、电荷放大器、信号调理器、激波管、示波构面板上产生相应的冲击载荷，PVDF压电薄膜传感器和标准压力传感器感受到阶跃压力而产生信号，通过信号采集系统得到相应的曲线，通过比较标准传感器和PVDF传感器的响应信号对传感器的性能进行研究和分析。粘贴在三脚架结构上的PVDF压电薄膜传感器将结构上产生的局部应变响应转换成电荷信号输出，由于产生的电荷信号十分微弱，因此需要使用电荷放大器将PVDF理器对标准压力传感器的产生的电压信号进行放大。PVDF压电薄膜传感器和标准压行分析。试验系统配置图如图（3.6）—图（3.9）所示。试验使用电荷放大器是京仪28北京理工大学硕士学位论文北方公司测振分公司的DHF—4型号的电荷放大器。标准传感器连接的信号调理器是传感器厂家直配的信号调理器。示波器使用的是公司的TDS5054B北京理工大学硕士学位论文北方公司测振分公司的DHF—4型号的电荷放大器。标准传感器连接的信号调理器是传感器厂家直配的信号调理器。示波器使用的是公司的TDS5054B数字荧45GS/s最大实时取样速率，标配8MB的记录长度（可扩充至16MB的记录长度，100000波形捕获速率。wfms/s最大图3.6 试验系统整体图图3.7 29北京理工大学硕士学位论文图3.8传感器位置图图3.9传感器安装图30北京理工大学硕士学位论文图3.8传感器位置图图3.9传感器安装图30北京理工大学硕士学位论文3.3激波管装置对PVDF传感器的动态特性测试过程及数据分析3.3.1北京理工大学硕士学位论文3.3激波管装置对PVDF传感器的动态特性测试过程及数据分析3.3.1实验过程(1)首先把标准压力传感器和PVDF压电薄膜传感器固定在设计好的钢结构三脚应与激波管的中心轴对齐。(2)然后将PVDF压电薄膜传感器电缆接到电荷放大器DHF—4的输入端，将DHF—4电荷放大器的输出端电缆接到示波器CH2的输入端，并将其上限频率置于100KHz，灵敏度设在10pc/unit。把标准压力传感器电缆接到信号调理器的输入端，将信号调理器的输出端电缆接到示波器CH1的输入端。将激波管测速传感器电缆接到示波器的CH3200mv左右即可。给激波管安装膜片，打开激波管充气阀门，压力可上升至1Mpa左右时破膜，记录下曲线。(4)按下示波器上的“CURSOR”按钮，用光标读出CH1和CH2通道压力跃起的时间差△t，两个压力传感器输出的瞬态压力值，然后读出CH3通道激波传过两个计时传感器之间的时间。测量激波管两个计时传感器之间的距离△x，钢结构三脚架和激波管末端口之间的距离，记录下室温，由此计算出激波速度和激波马赫数Ms。3.3.2实验数据处理及分析为了制作性能最优的PVDFPVDF粘胶，封装材料四个有可能影响传感器性能的因素对制作的传感器进行研究。因此，我们做了以下四组实验。1.比较形状采用的PVDF压电薄膜的感芯形状是5×10mm2方形和Φ10mm圆形这两种形状。研究PVDFPVDF压电薄膜的厚度、绝缘粘胶、封装材料这几个方面保持一致，PVDF压电薄膜的形状是唯一变量。31北京理工大学硕士学位论文图3.10 5×10mm2方形北京理工大学硕士学位论文图3.10 5×10mm2方形PVDF薄膜敏感面传感器的原始波形图图3.11 5×10mm2方形PVDF薄膜敏感面传感器的放大波形图32北京理工大学硕士学位论文图3.12Φ10mm圆形PVDF北京理工大学硕士学位论文图3.12Φ10mm圆形PVDF薄膜感芯传感器的原始波形图图3.13Φ10mm圆形PVDF薄膜感芯传感器的放大波形图33北京理工大学硕士学位论文5×10mm2方形PVDF薄膜感芯传感器的指标表3.3参数1234平均值标准差电压(V)1.321.311.301.331.3150.012909944延迟时间(us)5.4435.0610.356598163爬坡时间（us）63299316表3.4Φ10mm圆形PVDF薄膜感芯传感器的指标参数1234平均值标准差电压(V)0.5150.8950.8350.5550.70.192786583延迟时间(us)4.6250.5591650774.24.0875.0825.134北京理工大学硕士学位论文5×10mm2方形PVDF薄膜感芯传感器的指标表3.3参数1234平均值标准差电压(V)1.321.311.301.331.3150.012909944延迟时间(us)5.4435.0610.356598163爬坡时间（us）63299316表3.4Φ10mm圆形PVDF薄膜感芯传感器的指标参数1234平均值标准差电压(V)0.5150.8950.8350.5550.70.192786583延迟时间(us)4.6250.5591650774.24.0875.0825.134爬坡时间（us）2.9583.4713.6753.5233.4070.311435788方形薄膜敏感面的传感圆形PVDFPVDF压电薄膜的形状有很大的关系。一般在受到冲击力时，传感器首先有一个比较大的起跳，在压力衰减的过程中，传感器也会跟着发生震荡，但震荡的幅度不会超过一开始的起跳波形的幅度。由两个传感器的指标可以看出，采用5×10mm2方形PVDF薄膜感芯制作的传感间相差不大，其中5×10mm2方形PVDF薄膜感芯制作的传感器的延迟时间离散程度圆形两种形状的PVDF压电薄膜制作的传感器的爬坡时间相差不大，5×10mm2方形PVDF薄膜感芯制作的传感器散差较小。综上，所以我们选取5×10mm2方形PVDF薄膜作为传感器的感芯。2.比较厚度PVDF压电薄膜的厚度有30um、50um、100um三种类型，在研究薄膜厚度时，制作的传感器在薄膜形状、绝缘粘胶、封装材料方面均报保持一致，PVDF压电薄膜的厚度是唯一变量。34北京理工大学硕士学位论文图3.1430um厚度PVDF北京理工大学硕士学位论文图3.1430um厚度PVDF压电薄膜制作的传感器的原始波图3.15 30um厚度PVDF压电薄膜制作的传感器的放大波形图35北京理工大学硕士学位论文图3.1650um厚度PVDF北京理工大学硕士学位论文图3.1650um厚度PVDF压电薄膜制作的传感器的原始波形图图3.1750um厚度PVDF压电薄膜制作的传感器的放大波形图36北京理工大学硕士学位论文图3.18100um厚度PVDF北京理工大学硕士学位论文图3.18100um厚度PVDF压电薄膜制作的传感器的原始波形图图