范志強(qiáng)，馬宏昊，沈兆武，林謀金，王德寶

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 爆炸力學(xué)與工業(yè)安全實(shí)驗(yàn)室，合肥 230027)

聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)壓電薄膜具有響應(yīng)快、測(cè)壓范圍寬、便于加工成形、耐沖擊等特點(diǎn)，在由爆炸沖擊、振動(dòng)等引起的應(yīng)力、應(yīng)變及聲輻射測(cè)量領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[1-3]。國(guó)外已實(shí)現(xiàn)PVDF應(yīng)力傳感器標(biāo)準(zhǔn)化[4]。國(guó)內(nèi)以PVDF壓電薄膜為敏感元件的壓力傳感器尚無(wú)設(shè)計(jì)制作標(biāo)準(zhǔn)，通常由實(shí)驗(yàn)室或研究機(jī)構(gòu)自行設(shè)計(jì)。夾心式PVDF壓力傳感器常用制作方法稱 “搭接法”，即利用銅箔為電極導(dǎo)線直接搭接在PVDF薄膜兩面，用涂膠水的絕緣薄膜封裝，見(jiàn)圖1。該方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，被諸多實(shí)驗(yàn)采用。張安躍等[5]通過(guò)霍普金森壓桿及輕氣炮裝置對(duì)自制PVDF壓力計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，分析影響其動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)的多種因素。巫緒濤等[6-7]采用SHPB裝置對(duì)自制夾心式PVDF壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，并作為應(yīng)力直測(cè)裝置用于混凝土沖擊實(shí)驗(yàn)。李焰等[8]用輕氣炮及激波管對(duì)幾種國(guó)產(chǎn)PVDF壓電薄膜沖擊加載、卸載響應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行研究，并對(duì)比國(guó)內(nèi)外PVDF壓電膜特性。但夾心式PVDF壓力計(jì)靈敏度受導(dǎo)線厚度、搭接質(zhì)量、膠水及封裝工藝影響較明顯，本文與文獻(xiàn)[6]均在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PVDF壓力傳感器靈敏系數(shù)離散性較大。靈敏度不穩(wěn)定性通常認(rèn)為由制作、封裝工藝及PVDF生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生受力不均所致，而且靈敏度一般隨壓力的增大逐漸穩(wěn)定。而低應(yīng)力情況下傳感器靈敏度往往遠(yuǎn)大于出廠標(biāo)定靈敏度，因此使用PVDF壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)試時(shí)，需對(duì)其靈敏度進(jìn)行標(biāo)定及修正。

本文利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)傳統(tǒng)夾心式PVDF壓力計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定研究，改進(jìn)制作工藝以減小其靈敏度系數(shù)的離散性?？紤]PVDF壓力計(jì)壓力較低時(shí)靈敏度離散性大、影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量等因素，使用PVDF壓力計(jì)進(jìn)行低應(yīng)力測(cè)量時(shí)，需進(jìn)行逐個(gè)標(biāo)定并修正其靈敏度。據(jù)分離式霍普金森壓桿裝置實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)制作立式壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，便于在一定壓力范圍內(nèi)對(duì)PVDF壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

1 靈敏度系數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

不同PVDF薄膜物理性質(zhì)差異較大，本文用錦州科信電子材料有限公司的PVDF壓電薄膜，用環(huán)氧樹(shù)脂及聚酯絕緣膜封裝，為減小導(dǎo)線覆壓面積采用圖1(b)搭接方式，表1為PVDF壓力計(jì)各元件物理參數(shù)。動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在Φ14.56 mm鋁制SHPB上進(jìn)行，壓力范圍20～120 MPa，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。PVDF壓力計(jì)夾在入射桿與透射桿之間，信號(hào)測(cè)量采用電流法。將透射桿的應(yīng)變計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力信號(hào)σ(t)，PVDF應(yīng)力計(jì)所測(cè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單位面積壓電薄膜電荷量q(t)，兩信號(hào)同一時(shí)間的值對(duì)應(yīng)σ～q坐標(biāo)內(nèi)點(diǎn)(σi,qi)，改變子彈速度即可獲得一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)，據(jù)標(biāo)定方程q(t)=Kσ(t)即可擬合出傳感器靈敏度系數(shù)K。

實(shí)驗(yàn)采用8片PVDF壓力計(jì)，據(jù)壓電薄膜面積分兩組，實(shí)驗(yàn)組4片，編號(hào)S1～S4，敏感元件尺寸A=6×6=36 mm2；對(duì)比組4片，編號(hào)D1～D4，敏感元件尺寸S=18×18=324 mm2。D組壓力計(jì)敏感元件尺寸大于SHPB壓桿桿端橫截面尺寸，用以對(duì)比考察銅箔導(dǎo)線覆壓對(duì)壓力計(jì)壓電響應(yīng)影響。通過(guò)調(diào)整子彈速度獲得不同壓力大小，每個(gè)樣本進(jìn)行4～7組實(shí)驗(yàn)不等。

圖1 夾心式PVDF壓力計(jì)模型示意圖

圖2 分離式霍普金森壓桿示意圖

表1 壓力計(jì)各元件參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

典型的PVDF信號(hào)與透射波信號(hào)對(duì)比見(jiàn)圖3。由圖3看出，PVDF記錄的壓力信號(hào)與應(yīng)變片記錄信號(hào)在上升段吻合較好，PVDF壓力信號(hào)波形較光滑，主要因積分運(yùn)算可消除大部分干擾信號(hào)。S組樣本實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4看出，在該壓力范圍內(nèi)，PVDF壓電薄膜上產(chǎn)生的電荷密度與壓力之間線性關(guān)系不明顯，q～σ關(guān)系為切線斜率逐漸減小曲線，即實(shí)際制作成型的PVDF壓力計(jì)靈敏度與名義靈敏度相差較大。

圖3 PVDF信號(hào)與入射透射信號(hào)對(duì)比

對(duì)D組壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，所得單位面積產(chǎn)生電荷量與壓力關(guān)系見(jiàn)圖5。由圖5看出，D組壓力計(jì)中單個(gè)樣本，q～σ在該壓力范圍內(nèi)線性關(guān)系保持良好，且離散性遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)組，擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果得擬合靈敏度KD=26.7 pC/N。對(duì)S組，靈敏度不穩(wěn)定性主要由銅箔電極引線搭接所致。壓力計(jì)靈敏度隨壓力變化規(guī)律見(jiàn)圖6。由圖6知，隨壓力的增大，由不平整性引起的異常放電導(dǎo)致靈敏度離散現(xiàn)象逐漸變小，使靈敏度在壓力足夠大時(shí)趨于平穩(wěn)；入射波的端部反射表明仍存在桿端不平整引起的干擾。故靈敏度系數(shù)隨壓力的增大而減小為由壓桿桿端不平整性及PVDF壓力計(jì)內(nèi)部平整度共同所致。

橫向泊松效應(yīng)亦會(huì)影響PVDF壓力計(jì)靈敏度。Bauer等[9]發(fā)現(xiàn)橫向泊松效應(yīng)使PVDF受壓時(shí)產(chǎn)生徑向膨脹，使標(biāo)定的動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)偏大。巫緒濤等[6]認(rèn)為此影響與應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)塑形變形及摩擦效應(yīng)有關(guān)，PVDF壓電薄膜及絕緣薄膜均為粘彈塑性高聚物材料，壓力計(jì)受壓時(shí)產(chǎn)生徑向膨脹、塑性變形及摩擦效應(yīng)導(dǎo)致其塑性變形，與本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合：標(biāo)定實(shí)驗(yàn)壓力超100 MPa時(shí)，應(yīng)力計(jì)出現(xiàn)明顯褶皺現(xiàn)象致不能再次使用。銅箔引線厚度與PVDF壓電薄膜厚度相比不可忽略，因此導(dǎo)線覆壓會(huì)引起敏感元件的變形彎曲，壓力測(cè)量時(shí)壓電薄膜受力不均會(huì)致局部放電異常，采用搭接法制作PVDF壓力計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小壓電薄膜與銅箔引線的搭接面積。

基于以上實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有夾心式PVDF壓力計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，措施為：① 適當(dāng)增加PVDF壓電薄膜尺寸，將壓力計(jì)中敏感元件尺寸改為8×8(mm2)；② 用10 μm厚鋁箔代替21 μm厚銅箔，考慮國(guó)內(nèi)PVDF薄膜兩面均選鍍鋁或鍍銀作電極，用超薄鋁箔可減小導(dǎo)線搭接引起的不平整性及不影響導(dǎo)電性能；③PVDF敏感元件與鋁箔導(dǎo)線搭接方式改為圖7方式，可盡量減小導(dǎo)線與敏感元件的接觸面積，較圖1兩種搭接方式可盡最大限度保證敏感元件作為壓力計(jì)的單獨(dú)部分不受左右兩邊導(dǎo)線端部隆起影響，較好保證壓力計(jì)端部敏感元件部分(圖中虛線框內(nèi)區(qū)域)整體平整度。將改進(jìn)的壓力計(jì)編號(hào)為N組并進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8看出，改進(jìn)的PVDF壓力計(jì)單位面積上產(chǎn)生的電荷量與壓力呈較好線性關(guān)系，且同批次制作的壓力計(jì)之間靈敏系數(shù)離散性較小，標(biāo)定的靈敏度系數(shù)較穩(wěn)定，線性擬合結(jié)果為KN= 32.9 pC/N。

圖4 S組壓力計(jì)標(biāo)定結(jié)果

圖7 改進(jìn)型壓力計(jì)結(jié)構(gòu)圖(N組)

圖8 N組壓力計(jì)標(biāo)定結(jié)果

3 PVDF壓力計(jì)標(biāo)定裝置

圖9 立式霍普金森壓桿示意及細(xì)節(jié)圖

由于PVDF壓力計(jì)仍以手工制作為主，制作過(guò)程存在較多工藝問(wèn)題，如敏感元件切割產(chǎn)生的偏差、毛邊、刷膠均勻性及導(dǎo)線覆壓質(zhì)量等，用PVDF壓力計(jì)測(cè)量前需對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)標(biāo)定，以便排查問(wèn)題壓力計(jì)。為便于PVDF標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，據(jù)分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)、制作立式壓桿，在一定壓力范圍內(nèi)較方便對(duì)PVDF壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。立式壓桿示意及實(shí)物見(jiàn)圖9(a)、(b)，裝置主要由有機(jī)玻璃管、支座、緩沖裝置、鋼制子彈及壓桿組成，整套裝置安裝在1根槽鋼中。子彈靠重力在有機(jī)玻璃管內(nèi)豎直下落，撞擊入射桿端產(chǎn)生壓力脈沖并向下對(duì)試驗(yàn)段完成加載，通過(guò)控制子彈下落高度實(shí)現(xiàn)對(duì)入射壓力大小控制。立式壓桿設(shè)計(jì)為反向利用標(biāo)準(zhǔn)件光軸導(dǎo)軌及滑塊，將滑塊固定在支架槽鋼上作壓桿支座，鋼制壓桿直徑16 mm，嵌在內(nèi)槽Φ16 mm滑塊內(nèi)。用該滑塊為支座可有效控制壓桿左右晃動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，使壓桿僅在軸線方向有自由位移，圖9(c)為滑塊支座與試驗(yàn)段放大圖。入射桿長(zhǎng)70 cm，透射桿長(zhǎng)60 cm，緩沖裝置采用相同直徑鋼桿或吸能裝置。子彈直徑16 mm，長(zhǎng)30 cm，在內(nèi)徑18 mm、長(zhǎng)1～2 m的可調(diào)有機(jī)玻璃管內(nèi)作自由落體運(yùn)動(dòng)，子彈兩端纏等厚度特殊膠帶并浸潤(rùn)滑油，控制子彈使之與有機(jī)玻璃管共軸心，保證子彈垂直下落的同時(shí)控制其旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖9(d)。分別在入射桿、透射桿對(duì)稱布置一組電阻應(yīng)變片監(jiān)控入射波、透射波。經(jīng)計(jì)算校核，壓桿輸出電壓與壓力間換算關(guān)系為

σ(t)=Eε(t)=

(1)

式中：E=210 GPa為鋼桿彈性模量；κ=2.08為電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)；橋壓為2 V；有用橋臂數(shù)為2；增益1 000。經(jīng)計(jì)算校核壓桿正常輸出壓力范圍10～160 MPa。利用該立式壓桿對(duì)N組某壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定所得實(shí)驗(yàn)曲線見(jiàn)圖10。由圖10看出，入射波、透射波均能獲得較好脈沖波形；入射波后端有明顯反射干擾，為由端面不齊整引起的反射。由于該壓桿需盡量延長(zhǎng)上端玻璃管長(zhǎng)度以增大子彈行程而犧牲吸收桿長(zhǎng)度，透射桿內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)拉伸波，但該現(xiàn)象并不影響加載階段及標(biāo)定結(jié)果。

圖10 立式霍普金森壓桿對(duì)N組壓力計(jì)標(biāo)定曲線

4 結(jié) 論

(1) 導(dǎo)致PVDF壓力計(jì)靈敏度系數(shù)離散主要因素為夾心式傳感器制作中導(dǎo)線搭接引起的不平整性。

(2) 夾心式PVDF壓計(jì)靈敏度系數(shù)在低應(yīng)力范圍內(nèi)離散型較大，由平整性導(dǎo)致的靈敏度系數(shù)離散性會(huì)隨壓力的增大逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

(3) 自制PVDF壓力計(jì)靈敏度系數(shù)受多種因素影響，使用前需對(duì)其進(jìn)行工況壓力范圍內(nèi)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

(4) 本文設(shè)計(jì)的立式壓桿制作、使用均較方便，可實(shí)現(xiàn)PVDF壓力計(jì)在一定應(yīng)力范圍內(nèi)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

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