基于PVDF传感器的静力试验系统标定与应用

刘秋楠 白 燕 徐国梁 巴晓蕾 尹 伟 王志成

(北京强度环境研究所，北京，100076)

1 引 言

结构静力试验在航天飞行器结构设计试验中发挥了重要作用。试验中除了测量在不同载荷情况下试验件的应变和位移，还要对结构所承受的载荷进行测量。载荷的测量可靠性和准确性对整个静力试验质量有重大影响。对于结构形式复杂、体积大小非常规的试验件，既难以进行理论计算分析，又不能满足已具备的试验条件，而现阶段测量试验件承受的载荷大小的方式还存在些问题，尚不能令人满意。正是这些问题，促使了基于PVDF压电薄膜传感器的静力试验系统的诞生。如何设计一种低成本、施工维护简单的静力试验系统，就成为人们追求的目标，基于PVDF压电薄膜传感器的静力试验系统就是在这方面做出的一个有意义的尝试。

PVDF压电薄膜具有灵敏度高、测量范围大、频率范围宽、温度稳定性好、质地柔软、韧度高、响应快等优点，使其成为广泛推广的一利新型智能传感器。在国外己经达到了实用化阶段，利用PVDF薄膜制作的压力传感器己经商品化，广泛应用于各种压力测试试验。PVDF压电薄膜制作的传感器可见于多种试验装置上的应用，相关的试验如弹底发射装药挤压[1]中的压力测量、医疗方面在牙咬力[2]上的测量、金属结构焊缝裂纹检测方法研究[3]、在激光推进实验中的测量[4]等，这些方面都取得了良好的效果。

本文从分析PVDF压电薄膜测量原理入手，提出了一个基于PVDF压电薄膜的静力试验系统整体搭建方案，在该方案的指导下，设计并实施了基于PVDF压电薄膜传感器的标定试验以及试件加持试验，并得到了有效的试验数据，为后续整个系统的灵活运用打下了基础。

2 PVDF压电薄膜的测力方法

载荷测量就是对力的测量，试验中通过载荷传感器将载荷转换成电量信号，将信号接入测量设备，测出相应的载荷。可见载荷传感器是关键器件，这类传感器有应变式、电容式、电感式、压电式、压磁式、压阻式等[5]。其中电阻应变式传感器具有许多优点，用得较广。但是电阻应变式传感器不能在外界环境变化较大的地方使用。近年来一种叫做聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器的发展为试验的灵活性与低成本性提供了条件。极化的PVDF薄膜受压时会产生电荷转移，电荷转移量和接触压力成正比。

2.1 PVDF压电薄膜工作原理

压电薄膜的输出电荷与外力关系如公式(1)、公式(2)所示。

qi=bijfj

(1)

Qi=bijFj

(2)

式中:qi——单位面积输出的电荷;bij——压电(应变)常数；fj——所受的应力;Qi——薄膜总输出电荷;Fj——总外力。

用于传感器的FVDF薄膜上下表面均镀有电极，因而相当于一个电容器，其电容量Cs按公式(3)计算。

(3)

两端电压U按公式(4)计算。

(4)

式中：θ——介电常数;A——薄膜面积;h——薄膜厚度;q——电容两端电荷。

综上,压电薄膜两端输出电压与其所受压力关系如公式(5)所示。

(5)

PVDF薄膜用于传感器时，压电信号必须通过电极引线才能输出，并且部分电极必须承受和压电薄膜相同的压力环境。现有压电传感器的电极引线有两种方式：一种是对压电薄膜局部极化，在非极化的区域电镀出引线；另一种是在电极上用粘结或者焊接方法直接引线，但是这种方式不是很常用。本文主要采用的是第一种方式。

2.2 基于PVDF压电薄膜传感器的静力试验系统的建立

PVDF压电薄膜作为传感元件可以看作是电荷发生器，其输出的电学模型可以等效为电荷源，输出的信号接入电荷放大器中。另外，将PVDF压电薄膜传感器配合电荷放大电路使用时，低频响应比配用电压放大器要好得多，可以实现对准静态的物理量进行测量[8]。最终搭建的静力试验系统如图1所示。

图1 系统组成图Fig.1 System diagram

3 基于PVDF压电薄膜的静力试验研究

3.1 PVDF压电薄膜传感器的标定

PVDF压电薄膜传感器在国内的应用主要分两类，一类是直接采用国外成熟的技术，进口PVDF压力传感器及其测试手段，在实际工作中按所引进的传感器使用规范进行应用。另一类是通过国产的PVDF薄膜制作压力传感器，这一类制作的传感器没有统一的标准，所以在采用PVDF压电薄膜作为传感器的时候，事先要对其进行标定。

本文利用数据采集系统的功能，设计了一种标定方法。将PVDF压电薄膜传感器平均分布在圆形钢框的内部，利用压力气囊将传感器完全贴合到钢框上，通过增加大气压的方式，来测量传感器的输出电压。考虑到PVDF压电薄膜传感器的电容很小，在静态外力作用下所产生的电荷会很快失去，因此，为了准确测出PVDF压电薄膜传感器在静态力作用下的输出电压，采用动态数据采集的方法，取最高的输出电压，对数据拟和得到载荷一电压曲线，也可根据应用需要得到载荷一电压的关系系数，完成标定。此种方法标定的传感器不需要测量连续变化的动态信号，适合在静力试验中使用。

PVDF标定系统如图2所示。

图2 PVDF标定系统示意图Fig.2 PVDF calibration system schematic diagram

该系统采用的PVDF传感器中的压电元件长度为12英寸(约300mm)，厚度为28μm，其上丝印银浆电极，薄膜被层压在0.125mm聚酯基片上，电极由两个压接端子引出，具体如图3所示。

图3 试验用PVDF压电薄膜传感器Fig.3 PVDF piezoelectric film sensor in the test

利用数据采集设备DEWETRON，标定传感器，标定得到的载荷与电压的数据如表1所示。表中的数据为压力从100kPa增至1000kPa时，对应采集系统测量得到的传感器输出电压值。

表1 载荷-电压数据标定结果Tab.1 Load-voltage data calibration result

对表1中的数据进行线性拟合，如图4所示。从图中可以看出该PVDF压电薄膜传感器的线性度良好，线性拟合相关系数为0.997。采用文献[9]中的方法计算得到该传感器的灵敏度为689.08kPa/V，不确定度为16.6kPa/V。

图4 载荷-电压拟合曲线图Fig.4 Load-voltage fitting picture

3.2 试验件加持试验应用

大型圆柱体在长期摆放和运输的过程中，会发生滚动和倾斜的危险，为了防止危险的发生会加装固定试验件的装置，试验设计了一个大型圆柱体的加持试验。具体情况如图5所示。

图5 试验件装配剖面图Fig.5 Cross-sectionTest pieces of assembly

固定装置由于材料本身的原因，无法完全贴近试验件，从图5上可以明显看出，在固定装置处，需要一侧拧紧四个螺栓如图6，另一侧在相对应的位置上拧紧螺栓，才能将试验件完全固定牢靠。试验时将PVDF压电薄膜传感器安装在螺栓与试验件之间，用力矩扳手拧紧螺栓，通过数据采集设备测量加持装置各个点的受力情况。该装置有助于该类型的试验件在运输过程中不会滑落与碰撞损坏。

图6 加持装置细节图Fig.6 Detailed drawing of blessing dexice

表2 试验结果

试验前标定了试验所用的PVDF压电薄膜传感器，得到一组载荷-电压系数，试验时通过测量设备，将测量的电压转化为载荷。试验中利用力矩扳手在加持装置的2象限分别加5N·m、10N·m、12N·m、14N·m、15N·m的力矩，而4象限不加力的情况下，得到传感器相应位置的载荷值。具体数据如表2所示。

4 结束语

本文介绍了一种用于测量压力载荷的基于PVDF压电薄膜传感器的静力试验系统的测量方法,与之前用相对体积较大的传感器测量压力的方法相比，这种方法具有易操作，易安装，适应多种复杂环境的优点。试验数据表明测量的载荷大小能准确的反映出试验件的受力状态。