基于聚偏氟乙烯压电薄膜的几种物理因素识别

林埔安 李小龙 江子涵

【摘要】聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜具有压电性、热释电性。本文实验测试了PVDF压电薄膜在五种不同物理因素作用下的传感信号。分析了这些信号频率和电压的差异性，从而确定PVDF压电薄膜可应用到单传感器多种物理因素识别领域。

【关键词】PVDF压电薄膜;传感器;多物理因素

1.引言

聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）是半晶质有机聚合体，此聚合体由重复的CF2-CF2长链分子组成，经过一定化学工艺处理使得PVDF薄膜具有压电性、热释电性。PVDF可输出较大的电压值，薄膜质量轻、韧揉、变形强度高、频率响应很宽。应用PVDF制作的传感器种类甚多，与微电子技术相结合，能制成多功能传感元件。PVDF压电薄膜优越的传感性能引起了用其作为力学量传感的研究热点，如用于结构健康监测智能结构与系统、各种力学传感器。在应用过程中，PVDF作为传感器几乎都是应用于单物理因素作用。而在本文中进行了PVDF压电薄膜在温度、风速、沙尘、水、噪音等五種物理因素下的信号变化研究，期望能将PVDF压电薄膜推广到多物理因素传感。

2.多物理因素测试

由于环境中的因素很多，不可能消除背景因素对信号的影响，因此此次实验都是基于背景因素的基础上，经过对波形的分析处理后，对实验结果没有影响。如图1所示，搭建信号测试系统，压电薄膜中的信号输入到数字示波器中分析，档位设置中噪音抑制打开，Auto档位打开。测试中所用的PVDF压电薄膜尺寸为40mm×40mm，实验环境为20℃、环境噪音20dB、无风、封闭。以下给出PVDF压电薄膜在不同因素下的信号反应。

图1 多物理因素测试示意图

2.1 温度

将PVDF压电薄膜置于太阳能灯前。实验测试范围25℃～60℃（当温度超过80℃，压电薄膜就会到达它的居里温度，使它内部的晶体结构发生变化，从而导致压电性的改变或消失），每隔5℃记录二十组数据。根据多组数据显示，在大约前2～4s内，波形电压值一直增加，接着处于平稳状态，频率值接近0Hz，其电压变化数值与温度成正比。下面给出温度为30℃、40℃、50℃、60℃下的实验数据统计，见表1。

表1

2.2 风速

用风扇模拟自然条件下的风。测试了风速为0.5m/s～8m/s十六组强度风速下的信号变化，每种因素下测试20组数据，每组数据间间隔2分钟。根据大量数据显示，频率范围大约在0.3Hz～66.17Hz。下面给出风速在约1m/s、约3m/s、约5m/s、约7m/s下的实验数据，见表2。

表2

2.3 沙尘

用直径小于0.25mm的细沙和粉沙，使其具有2m/s的速度，用带筛孔的容器内装有沙尘吹打在PVDF压电薄膜上。实验过程中测试了10mg/m3～500mg/m3含尘量下的沙尘，每隔10mg/m3记录十组数据。根据实验数据显示：当浓度出现量级的改变时，PVDF的波形变化更加明显。以下为50mg/m3、200mg/m3、500mg/m3 的数据，见表3。

表3

2.4 雨滴

用带筛孔的容器内装有水模拟下雨。控制雨滴打在PVDF薄膜上的速度为2m/s，使其打在PVDF压电薄膜上。分别测量雨流量0mm～50mm共10种因素强度，每种因素强度下测试20组数据，每组数据间间隔2分钟。以下为雨流量为5mm、10mm、20mm、50mm下的实验数据，见表4。

表4

表5

2.5 噪音

用频率发生器软件产生产生不同频率和分贝，由外置音响产生，分贝计软件粗略检测分贝大小。根据环境噪音标准查询，实验过程测试了10Hz～30000Hz的频率和不同分贝条件下的变化，大量数据结果显示，对于频率在约1.1×103Hz以上和约75Hz以下时，PVDF反应不大。下面给出1×102～1×103Hz下85dB、87dB、89dB、90dB、91dB、92dB影响下的波形反应（由于不同频率同一分贝下PVDF信号的频率和电压值也是不同的），表5。

3.分析

图2是数字示波器截取的各物理因素典型波形图。从图波形的差别看，理论上各物理因素是可以有PVDF压电膜区分的。风速波形与沙尘的波形较为接近，可引入环境差别传感加以区分。根据上面测试的数据绘制成的信号频率交叠图图3。在测试过程中，都是模拟实际生活中因素的强度进行测试的。根据结果显示，在判断这些因素时，可以将非交叠部分作为此种因素的识别调节条件。

图2 各物理因素典型波形图

图3 各因素信号频率交叠图

首先，温度因素的频率远低于其它因素，随温度增加传感电压确与其它因素相当，因此，如果仅传感电压增加而其频率在零处并无太大变化，即可判断仅温度单一物理因素作用。当雨滴雨流量超过50mm时，也能明显地粗略的识别。

在工程实践中，如果考虑将各各物理因素的强度进行一个阈值划分，比如有害和无害、或有益和无益，那么温度以外的其它四个因素依然可以区分。比如在智能家居中，环境风速大于5m/s（阈值）被认为有害，从图3看出，这时风速因素的频率与噪音频率段没有交叠，也因此很容易将风速区分出来。而当噪音超过90dB被认为有害，即使频率处于风速与噪音频率的交叠段，但由于噪音因素作用下的电压最大值远大于风速，因此也能区分出噪音。

在处理噪音、风速、沙尘条件，噪音、风速、沙尘之下的信号频率不是太悬殊，可引入环境差别传感加以区分。采用两片PVDF薄膜，一片在上面，能够接收到沙尘、雨滴因素的影响，一片置于下面，不受沙尘、雨滴的影响，两片PVDF薄膜除了沙尘、水滴的因素有差异，其他因素均相同。将其信号进行对比，相同即是噪音、风，不同则是沙尘。

4.结论

设置一系列的实验，测试在5种物理因素不同强度作用下PVDF压电薄膜信号的电压和频率，发现PVDF压电薄膜对这五种作用因素均有明显的反应。实验验证，PVDF压电薄膜信号是可以通过频率的差异、电压值的不同和环境差异处理方式（两片PVDF放置不同位置，同时对比两种信号的差异）分辨出来的。PVDF压电薄膜在单传感器多因素传感的工程实践中具有潜在的价值。

参考文献

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