李貴遠，袁人樞

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

0 引言

聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)因其輕柔、穩(wěn)定、高頻響、高靈敏、大量程、成本低等優(yōu)點[1]，在動態(tài)測量領域得到廣泛應用。目前，國內對PVDF動態(tài)特性及其實驗裝置的研究，取得了很大進展。曾輝等利用利用霍普金森壓桿裝置，對PVDF壓力傳感器進行了動態(tài)校準，得出了校準擬合直線方程和較好的線性度[2]。范志強等設計了立式霍普金森壓桿裝置，并利用其對傳統(tǒng)夾心式聚偏氟乙烯壓力計進行標定實驗，分析導線厚度、搭接方式及敏感元件面積等因素對壓力計靈敏度影響[3]。王永強等利用PVDF壓電薄膜自制薄膜傳感器，并進行落錘動態(tài)標定實驗，得到了較高的線性擬合度和較好的重復性[4]。張智丹等利用霍普金森壓桿裝置研究對比了PVDF壓電薄膜和PZT-5壓電陶瓷在沖擊力作用下的輸出線性度、響應時間和靈敏度[5]。

大量研究表明，PVDF壓電薄膜適用于動態(tài)壓力測試，但同時PVDF也具有熱電效應，易受測試環(huán)境溫度的影響。曾輝等通過對研制的PVDF壓力傳感器靈敏度受溫度影響的試驗，發(fā)現(xiàn)其靈敏度隨溫度增加而增大,兩者關系是一條曲線[6]。程啟華對自制的PVDF壓電傳感器進行了熱釋電效應的試驗研究，得出了PVDF壓電傳感器的溫度使用范圍,并擬定了溫度修正曲線[7]。

本文提出粘貼聚丙烯膜的防熱方法，分析聚丙烯膜的防熱效果，并設計擺錘裝置，研究聚丙烯膜對PVDF壓電薄膜動態(tài)特性的影響。

1 粘貼聚丙烯膜的PVDF壓電薄膜

本文采用的PVDF壓電薄膜，其壓電常數(shù)d33為33 pC/N。PVDF壓電薄膜的處理如圖1所示，首先將0.5 mm厚的環(huán)氧板粘貼在金屬基座上，然后將PVDF壓電薄膜粘貼在環(huán)氧板上，最后將聚丙烯膜粘貼在該PVDF壓電薄膜上。3次粘貼均要反復按壓，使膠層薄而均勻，并釋放粘貼應力。實驗使用的聚丙烯膜厚度為50 μm。

圖1 粘貼聚丙烯膜的PVDF壓電薄膜示意圖

為了獲得準確可信的實驗結果和對比數(shù)據(jù)，對同一片PVDF壓電薄膜粘貼聚丙烯膜前后分別進行沖擊實驗。

2 聚丙烯薄膜防熱分析

聚丙烯應用廣泛，是常見透明膠帶的主要材質之一，易于獲取。聚丙烯相關材料參數(shù)如表1所示，其熱導率和熱擴散率低，比鋁、銅等常見金屬小2個數(shù)量級以上，適于在動態(tài)壓力測試中做短暫的(約5 ms)熱防護。

表1 聚丙烯材料參數(shù)

如圖2所示，將聚丙烯膜等效為薄板，其沿厚度方向的熱傳導可以簡化為一維傳熱問題。

圖2 單層板表面受熱流作用示意圖

運用單層板溫升場理論[8]，有

(1)

式中：ΔT為單層板中的溫升，K；q為單層板表面熱通量，W/m2；α為材料熱擴散率，m2/s；t為時間，s；λ為材料熱導率，W/(m·K)；l為板厚度，m；x為單層板的厚度方向，m。

取x=l，得單層板的表面溫升為

(2)

取x= 0，得單層板的背面溫升為

(3)

假設待測壓力源輸出熱通量為1 MW/m2，持續(xù)時間為5 ms，根據(jù)式(2)和式(3)求出此條件下不同厚度聚丙烯膜的溫升曲線，如圖3所示。

圖3 不同厚度聚丙烯膜溫升曲線

為了有效保護PVDF壓電薄膜，背面溫升應不超過30 ℃[7]。由圖3得，聚丙烯膜的厚度應大于40 μm，此時其表面溫升小于140 ℃，恰好滿足聚丙烯工作溫度條件。

3 動態(tài)特性實驗系統(tǒng)

3.1 擺錘裝置

相比于霍普金森壓桿裝置百兆帕以上的輸出壓力[4]和落錘-油缸裝置1 kHz左右的頻響，本文設計使用的擺錘裝置可以輸出較小的沖擊力和較高的頻率。如圖4所示，擺錘裝置主要由支架、回轉軸、錘柄、力傳感器和錘頭構成。通過控制靜止釋放位置的擺角的變化，可以得到一系列的沖擊力。

圖4 擺錘裝置結構示意圖

3.2 測試系統(tǒng)

如圖5所示，測試系統(tǒng)由擺錘裝置、LC0501力傳感器、PVDF壓電薄膜、KISTLER 5165A電荷放大器、NI USB 6366數(shù)據(jù)采集設備和計算機組成。

圖5 動態(tài)特性測試系統(tǒng)示意圖

實驗時，擺錘沖擊力同時作用于力傳感器和PVDF壓電薄膜。沖擊力的大小由力傳感器測出，力傳感器的參數(shù)如表2所示；PVDF壓電薄膜受到沖擊力的作用產生的電荷，利用電荷放大器直接測出。

表2 LC0501力傳感器參數(shù)

4 實驗結果與討論

4.1 PVDF壓電薄膜的動態(tài)靈敏度

根據(jù)實驗測得的沖擊力大小F(N)和電荷量Q(pC)，可以求出PVDF壓電薄膜的靈敏度為

(4)

實驗時測出一系列對應的Q-F點，采用線性擬合的方式得出Q-F曲線，由此得到靈敏度K。

對有無聚丙烯膜防熱的PVDF壓電薄膜分別進行實驗，實驗結果及數(shù)據(jù)擬合曲線如圖6所示。

由圖6可知，表面沒有聚丙烯膜的PVDF壓電薄膜的靈敏度為34.85 pC/N，表面粘貼了聚丙烯膜的PVDF壓電薄膜的靈敏度為35.71 pC/N，兩者相差2.47%。

4.2 PVDF壓電薄膜的時域動態(tài)特性

圖7是PVDF壓電薄膜在擺錘沖擊下的響應曲線和擺錘上LC0501力傳感器的輸出曲線。為了表征聚丙烯膜對PVDF壓電薄膜動態(tài)響應特性的影響，將有無粘貼聚丙烯膜的PVDF壓電薄膜輸出脈沖波形的上升時間tr、下降時間tf和脈寬τ列表比較，如表3所示。結合圖7和表3可以得出：無論有無聚丙烯膜，PVDF壓電薄膜的響應曲線與LC0501的輸出曲線基本重合；PVDF和LC0501的上升時間一致，而PVDF的下降時間明顯長于LC0501；粘貼聚丙烯膜對PVDF響應上升時間沒有明顯影響，下降時間縮短約1/3；PVDF脈寬略大于LC0501。

(a)無聚丙烯膜

(b)有聚丙烯膜圖6 PVDF壓電薄膜動態(tài)校準曲線

(a)無聚丙烯膜

(b)有聚丙烯膜圖7 動態(tài)壓力測試信號時域曲線

表3 傳感器時域動態(tài)特性參數(shù)

4.3 PVDF壓電薄膜的頻域動態(tài)特性

通過對LC0501和PVDF測試動態(tài)壓力的輸出信號作傅里葉變換，可以得到信號的幅頻特性曲線，如圖8所示。在大于3 kHz時，無論有無聚丙烯膜，PVDF和LC0501輸出信號幅頻熱性曲線基本重合；在小于1.1 kHz時，有聚丙烯膜的PVDF其幅頻特性曲線更接近于LC0501。聚丙烯膜對PVDF壓電薄膜的動態(tài)響應特性沒有明顯影響。

(a)無聚丙烯膜

(b)有聚丙烯膜圖8 動態(tài)壓力測試信號幅頻特性曲線

由圖8可知，該實驗方案可以產生約8 kHz的動態(tài)沖擊信號，且證明PVDF壓電薄膜的響應頻率也在8 kHz左右，這一特性與上述信號脈寬0.130 ms吻合。

5 結束語

文中針對PVDF壓電薄膜在動壓測試運用中易受溫度影響的問題，提出了一種粘貼聚丙烯膜作為PVDF壓電薄膜的防熱措施。利用單層板溫升理論分析了聚丙烯膜的防熱效果。設計一種帶有標準力傳感器的擺錘裝置，通過敲擊產生沖擊力，對有無粘貼聚丙烯膜的PVDF壓電薄膜進行對比實驗，研究聚丙烯膜對PVDF壓電薄膜動態(tài)特性的影響。實驗表明：聚丙烯膜對PVDF壓電薄膜動態(tài)靈敏度和響應特性均沒有明顯影響。驗證了在動態(tài)壓力測試過程中，粘貼聚丙烯膜作為PVDF壓電薄膜防熱措施的可行性和有效性。