PVDF压电薄膜测量脉动压力可行性研究

白志刚

摘  要：PVDF压电薄膜是一种新型的高分子聚合物型传感器材料，具有高的压电常数，质量轻、柔性好、加工性能好、频率响应宽、对高频激励实用性强等优点，该文利用PVDF薄膜的压电特性设计了一种传感器，通过对传感器测试发现，在测量压力范围内，PVDF压电薄膜传感器具有良好的线性度、较高的灵敏度、较宽的频域响应、较低的迟滞性误差和重复性误差，并且温度对传感器的灵敏度影响较大，实际测试时需考慮温度的影响，激励测试表明PVDF压电薄膜传感器满足测量脉动压力的需求。

关键词：脉动压力;PVDF压电薄膜;动静干涉;传感器

中图分类号：TP206          文献标志码：A

0 引言

目前，广泛采用在叶片上焊接滞止齿的方法测量脉动压力，但存在焊接工艺不稳定，焊后受感部周向角度和俯仰角度偏差大等问题，严重影响测量精度，并且焊接测点受空间所限，经常不能满足测点布置需要。PVDF压电薄膜是一种新型的高分子聚合物型传感器材料，具有高的压电常数，是石英材料的十多倍;质量轻，做成传感器对被测量的结构影响小;柔性好，适合曲面的测量固定;加工性能好，可制成5 μm～1 000 μm厚度不等、形状不同的薄膜，适合做大面积传感器阵列器件;频率响应宽，特别对高频激励激励实用性强等优点，因此，该文利用PVDF薄膜的压电特性设计了一种传感器，通过测量传感器相关参数，研究用其测量脉动压力的可行性。

1 PVDF压电薄膜结构

PVDF薄膜属于压电材料的一种，宏观上说，薄膜当受到外力作用时，表面会产生电荷，利用PVDF薄膜压电效应所设计的传感器结构如图1所示，从图中可以看出，传感器阵列主要由PVDF压电薄膜、电极层、绝缘层和保护层共同组成，其中电极层主要作用为引出电荷信号，绝缘层主要为降低外界噪声等干扰，保护层的作用是为了让传感器满足防水，提高耐磨性等要求。电极信号引出后经过电荷放大，数据采集等后续处理，输出电压值，其系统结构示意图如图2所示。

2 参数测量

脉动压力测量要求传感器具有较高的灵敏度，较好的线性度，频响范围不低于1 000 Hz，良好的重复性等，通过实验和理论分析，研究PVDF压电薄膜传感器是否满足脉动压力的测试需求。

2.1 灵敏度测量

通过扬声器发出不同频率，不同响度的声音，得到传感器输入压力和输出电压之间的关系，经多次实验测得的输入声压与PVDF压电薄膜传感器系统测得的电压值见表1，通过最小二乘法得到输入与输出之间的线性关系，如图3所示，通过计算该直线非线性误差为0.68%，表明传感器具有良好的线性度。

传感器灵敏度与传感器面积、电荷放大系数有关，灵敏度计算公式如下：

其中，P为拟合曲线的斜率，λ为电荷放大系数，S为传感器面积，经计算传感器的灵敏度为：

2.2 频域特性

脉动压力测量需要比较宽的频率响应范围，通过加载测量传感器的频率响应情况，图4为PVDF压电薄膜传感器输出的频率响应情况，从图1可以看出，PVDF压电薄膜具有很宽的频率响应范围，在所测频率范围内响应无明显下降，满足测试要求。

2.3 迟滞性误差

迟滞性误差表示为传感器在测量压力范围内，各校测点的正程与反程输出示值最大偏差绝对值与满量程输出值之比，其中计算公式如下：

式中：为同一效验点上正、反行程示值的平均值;Uz静态校准的满量程输出值。通过测试测量的正、反行程的平均值见表2，通过公式（2）计算，传感器迟滞性误差约为1.04%，PVDF压电薄膜传感器迟滞性不高于常规传感器。

2.4 其他

重复性误差表在同一工作条件下，多次按同一方向作全量程加压时得到的多个特性曲线不一致程度。采用贝塞尔公式分别计算每个效验点上正反行程的子样标准偏差，通过多次重复测试，得出传感器在整个测量范围内的标准偏差，通过表2中的数值计算得到传感器的重复性误差约为4.3%。

另外，在测量脉动压力过程中，传感器的工作环境温度存在变化，通过改变环境温度，测量传感器耐热性及参数变化，通过测量发现传感器的灵敏度随温度的上升逐渐增加，但二者之间不存在线性关系。环境温度从25 ℃增加到105 ℃，灵敏度增加50 %以上，这表明传感器灵敏度受温度的影响不可忽略，在实际测试中需要考虑温度的影响。

3 结论

PVDF薄膜是一种新型的高分子聚合物型传感器材料，从试验及数据分析可知，PVDF薄膜传感器可满足测量脉动压力需求，PVDF压电薄膜传感器特点总结如下：

（1）PVDF压电传感器厚度较薄，占用空间小，加工性能好，便于测点的布置。

（2）频率响应较高，适合高速压力脉动测量。

（3）传感器本身较好的线性度，具有较高分辨率和可靠性，可提高测试的精度。

（4）PVDF压电薄膜具有低的迟滞性，高的重复性。

（5）传感器灵敏度受温度的影响较大，在实际测试中需要考虑温度的影响。

参考文献

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