靳瑩，徐海威

（裝甲兵工程學(xué)院，a.機(jī)械工程系；b.學(xué)員四旅，北京 100072）

0 引言

聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）是一種新型壓電高分子聚合物材料,它具有壓電電壓常數(shù)高、頻響寬、靈敏度高、質(zhì)量輕、柔韌性及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)［1］，同時(shí)易于加工和安裝，且成本低。把PVDF 加工成薄膜作為傳感器使用時(shí)，響應(yīng)速度快，對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)影響很小。因此，PVDF 壓電薄膜越來越受到人們的關(guān)注，隨著智能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的提出，PVDF 壓電薄膜逐漸成為了研究的熱點(diǎn)。PVDF 壓電薄膜的研究不斷深入、生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)，使PVDF 壓電薄膜的應(yīng)用越來越廣泛。

1 PVDF 壓電薄膜結(jié)構(gòu)特性

為了獲得PVDF 薄膜的壓電性，需要對(duì)薄膜進(jìn)行單軸拉伸，先獲得經(jīng)拉伸的結(jié)構(gòu)（如圖1 所示），然后將其加熱到80～110℃并進(jìn)行極化，得到具備壓電性（如圖2 所示）的薄膜結(jié)構(gòu)。由于PVDF 薄膜的電容較小，當(dāng)受到外負(fù)載的作用時(shí)，PVDF 薄膜所產(chǎn)生的電荷無法持續(xù)保持，正是這種特性，使PVDF 薄膜更適宜用于結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)［2］。

圖1 經(jīng)拉伸的PVDF 薄膜

圖2 具備極化性的PVDF 薄膜

2 實(shí)驗(yàn)配置

試驗(yàn)采用江蘇研楊公司生產(chǎn)的YE15000 振動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3 中，a為簡支梁、已經(jīng)安裝好的PVDF 傳感器及對(duì)比所用的CA-YD-107 54179加速度傳感器，b為YE5852電荷放大器，c為YE6251Y1 功率放大器，d為YE6251Y2 掃頻信號(hào)發(fā)生器，兩者結(jié)合可提供不同輸入頻率和幅度的簡諧信號(hào)，e為YE15400 電動(dòng)激振器，可根據(jù)輸入的信號(hào)不同，對(duì)簡支梁進(jìn)行振動(dòng)。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

對(duì)PVDF 傳感器輸出信號(hào)的采集采用如圖4 所示的計(jì)算機(jī)采集。其中輸入電纜的長度為450 mm，A/D 數(shù)據(jù)采集卡采用NI 公司PXI6251 采集卡，計(jì)算機(jī)處理與分析系統(tǒng)使用LabVIEW8.0 進(jìn)行編寫，能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采樣、濾波和功率譜分析，采樣頻率設(shè)為2 kHz。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置

實(shí)驗(yàn)材料為典型的PVDF 壓電薄膜，裁減的形狀為長13 mm、寬10 mm，其主要的物理參數(shù)如表1 所示。

在研究PVDF 的壓電特性時(shí)，對(duì)比普通壓電傳感器的壓電特性，需要在不同頻率下進(jìn)行比較。首先設(shè)定激振系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，用產(chǎn)生的簡諧振動(dòng)激勵(lì)簡支梁，從而進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)過程如下：

1）設(shè)定信號(hào)發(fā)生器的頻率為50 Hz，產(chǎn)生簡諧振動(dòng)信號(hào)并通過功率放大器放大之后傳給激振器，這時(shí)簡支梁受到激振器頻率為50 Hz 的激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)簡支梁的中端進(jìn)行正弦加載，使其振動(dòng)，并記載PVDF 輸出電壓。用示波器觀察PVDF 傳感器和普通壓電傳感器波形，經(jīng)確認(rèn)信號(hào)無誤后接入信號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，時(shí)域波形如圖5 所示。

表1 PVDF 壓電薄膜的物理參數(shù)

圖5 50 Hz 時(shí)PVDF 傳感器與壓電傳感器時(shí)域波形

2）將信號(hào)改為沖擊信號(hào)，用力錘錘擊簡支梁，用示波器觀察PVDF 傳感器波形，經(jīng)確認(rèn)信號(hào)無誤后接入信號(hào)采集系統(tǒng)，沖擊響應(yīng)時(shí)域波形如6 所示。

圖6 PVDF 傳感器沖擊響應(yīng)時(shí)域波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過50Hz 的時(shí)域波形可以看出，PVDF 傳感器的相位比CA-YD-107 54179 傳感器的相位略有提前，這說明在形變足夠的情況下，PVDF 的靈敏度比普通壓電傳感器更高。由圖示我們還可以看出，PVDF 傳感器在波谷時(shí)的波形相對(duì)于波峰的波形來講更為尖銳。這是因?yàn)榧ふ裣到y(tǒng)本身的原因（圖中CA-YD-107 54179 傳感器的輸出波形在波谷時(shí)同樣比波峰更尖銳），本文認(rèn)為這是由PVDF自身的固有特性和實(shí)驗(yàn)的安裝方式?jīng)Q定的。在一個(gè)振動(dòng)周期中，當(dāng)簡支梁處于向上的最大形變時(shí)，PVDF 對(duì)應(yīng)輸出最大的正極電壓；當(dāng)簡支梁由最大變形量向中間位置回復(fù)時(shí)，由于PVDF 具有極小的電容量，因此PVDF 傳感器的電荷將迅速消失，同時(shí)由于PVDF 傳感器本身存在的壓電效應(yīng)，PVDF 將產(chǎn)生抵消原來具有的電荷反向的電荷，此為原因之一；原因之二是選用的PVDF 壓電薄膜在生產(chǎn)時(shí)其上下極面上分別都有焊接的接頭，在粘貼PVDF壓電薄膜的時(shí)候，PVDF 壓電薄膜已經(jīng)產(chǎn)生了一定的形變，造成當(dāng)簡支梁處于平衡位置時(shí)PVDF 還有一定的形變。

通過沖擊響應(yīng)的時(shí)域波形可以看出，沖擊載荷作用于PVDF 壓電薄膜后，瞬間就達(dá)到了峰值，響應(yīng)時(shí)間短、速度快，說明PVDF 壓電薄膜對(duì)結(jié)構(gòu)所承受的沖擊載荷的反應(yīng)非常敏感，是監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)沖擊載荷的理想傳感元件。

4 裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

PVDF 壓電薄膜,具有柔性好、機(jī)械強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配、頻響范圍寬、能抗化學(xué)和油性腐蝕等優(yōu)良特性,可加工成大面積和復(fù)雜形狀的膜使用［6］。PVDF 壓電薄膜的用途廣泛，在力學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、航空航天及軍事領(lǐng)域逐步發(fā)揮著越來越重要的作用。如測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變,制作聲輻射模態(tài)傳感器，在振動(dòng)中用來制作加速度計(jì)和振動(dòng)模態(tài)傳感器以及用在主動(dòng)控制中，血壓計(jì)、心音計(jì)及血液診斷傳感器等。結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下發(fā)生了損傷，應(yīng)用PVDF 壓電薄膜對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝甲裝備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷。將多片PVDF 壓電薄膜同時(shí)配合使用，還可以監(jiān)測(cè)出結(jié)構(gòu)損傷的位置和大小。因此，應(yīng)用PVDF 壓電薄膜來監(jiān)測(cè)軍用裝甲裝備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沖擊損傷具有廣闊的發(fā)展前景。

PVDF 壓電薄膜成本低，安裝方便，靈活性好，適用于裝備不解體測(cè)試?？捎糜诒O(jiān)測(cè)復(fù)合材料中的沖擊損傷和復(fù)合材料—金屬連接處的損傷,也可制成自動(dòng)檢查系統(tǒng),檢測(cè)大面積層狀結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)中的缺陷。

PVDF 壓電薄膜及其聚合物可制成紅外探測(cè)器、熱像儀、紅外—可見光轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用于裝甲裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。裝甲車輛的故障復(fù)雜多變，且由于裝甲車輛工作環(huán)境惡劣，其故障的檢測(cè)用一般的故障檢測(cè)方法（如振動(dòng)和噪聲等）很難準(zhǔn)確地反映裝備產(chǎn)生故障的位置及故障產(chǎn)生的機(jī)理等。通過對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料等的深入研究發(fā)現(xiàn)，無論零部件發(fā)生的主要故障是構(gòu)成材料的損壞如磨損、破裂等，還是機(jī)械結(jié)構(gòu)的異常，如堵塞與泄漏等，亦或者是外來的干擾如污染等，很大程度上都與設(shè)備工作的溫度相關(guān)聯(lián)。這將不同程度地對(duì)設(shè)備的熱平衡產(chǎn)生影響，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱將以不同方式和速度逐漸擴(kuò)散到設(shè)備的各個(gè)部位，直至其外表的溫度發(fā)生相應(yīng)的變動(dòng)。熱量的變化必然會(huì)通過紅外輻射得到反映，因此通過由PVDF 壓電薄膜及其聚合物制成紅外熱像儀可有效地采集這些重要的信號(hào)，通過深入研究得知，不同的部位在不同的工況下通常有各自的溫度臨界值，且相同部位也會(huì)因故障的差異產(chǎn)生相應(yīng)的溫度等級(jí)；綜合設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及檢修等諸多狀況的研究，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行全方位的了解，及時(shí)掌握包括故障的性質(zhì)和部位等設(shè)備的性能情況，把握設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)，能有效地對(duì)故障變化情況和其壽命作出相應(yīng)的預(yù)報(bào)。

5 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)表明，PVDF 壓電薄膜動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性具有如下特點(diǎn)：監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的靈敏度較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)有遲滯現(xiàn)象；可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)載荷。PVDF 壓電薄膜具有壓電系數(shù)高、柔韌性好、不脆不碎、質(zhì)量輕、易粘貼和操作簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，PVDF 壓電薄膜在裝甲裝備狀態(tài)檢測(cè)上的結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)、裝甲裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及可靠性研究方面應(yīng)用前景非常廣闊。

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