柔性传感冲击波瞬态压力测试方法

柴栋梁，王文廉,2

(1.中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051; 2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

冲击波压力测试是评估爆炸物毁伤效应的主要手段[1-2]。在某些特殊场合，如测试冲击波对建筑物圆柱面、车辆曲面以及动物等的毁伤效应时，常规传感器有不足之处，比如很难布置在物体曲面。设计一种粘贴型薄膜传感器可以解决该测试难点。

由于柔性传感器具有异于常规传感器的优良性能，在某些领域发挥着重要作用：生物医学方面：针对其韧性好，生物兼容性好的特点研制的穿戴式脉搏检测系统[1]，在仿生学领域，利用柔性传感器研制的感知触、滑觉智能假手[2]，智能仿生皮肤[3]，步态感知系统[4]，用于运动检测的柔性内衣以及可穿戴设备[5-6]。

PVDF是一种性能优异的压电材料，全称偏聚氟乙烯，其强压电特性于1969发现[7]，经过多年研究，已成为最具潜力的聚合物压电薄膜[8]材料之一。作为一种聚合物材料，PVDF具有一些无机材料无法比拟的优势：PVDF化学稳定性高，耐酸碱腐蚀；制成薄膜后透光率高；生物兼容性好，和皮肤等软组织的粘附性较好。相对于其他压电材料，PVDF频率响应范围大，从 Hz到GHz的频率范围都能做出响应；压电常数高，相同应力输入下与其他材料相比有较高电荷输出，便于数据的采集和分析[9]。国内已有将FVDF用于压力测试的先例[10-11]。

文章采用国产压电薄膜，通过裁剪，边缘绝缘处理，导线引出[12-14]等流程制备了压电薄膜传感器；通过小型爆炸物对传感器进行简单实验；利用激波管的阶跃冲击信号，配合专门制作的存储测试电路得到传感器的响应曲线；得出其上升时间、最大超调量等动态参数，对其性能进行评估分析。

1 柔性传感冲击波测试系统

在冲击波毁伤测试领域的某些特殊场合，如研究冲击波对建筑物圆柱面、车辆曲面以及动物等的毁伤测试时使用柔性传感器评估毁伤效应，理论上能取得更好的效果，测试结果也更有说服力。

柔性薄膜粘贴在物体曲面的示意图和柔性传感冲击波测试系统示意图如图1和图2所示。

基于不同测试需求，柔性传感器的采集、信号调理电路及无线传输模块布置于动物身体体表、车辆的曲面以及建筑物的圆柱面，爆炸物爆炸时产生的冲击波作用于粘贴在待测物体表面的柔性薄膜传感器上，通过无线接收模块将冲击波信号数据发送到数据终端。试验完成后，可以通过数据终端显示实验数据，便于后续研究。

图1 柔性薄膜粘贴示意图

图2 柔性传感冲击波测试系统

2 传感器及存储测试系统

利用国产某公司生产的PVDF薄膜制作了柔性传感器，针对柔性传感器应用场合（冲击波毁伤测试）建立了存储测试系统。

2.1 专用柔性传感器制作

PVDF薄膜性能优异，但是其厚度较小，抗剪能力差，而且表面涂有电极，薄膜在使用过程中容易破损，而且容易受外界的电子干扰，影响其使用性能，PVDF压电薄膜必须经过封装才能使用。PVDF薄膜制作传感器的流程如图3所示。

图3 薄膜传感器制作流程

根据需要将薄膜裁剪成1.3 cm×0.7 cm的长方形薄膜片；用丙酮和酒精作为腐蚀剂对裁剪下的薄膜边缘做非金属化处理，腐蚀掉边缘可能连通的电极毛刺，最后用万用表检测是否短路，保证两表面电极的分离。PVDF薄膜本身厚度小，柔性大，表面电极较薄，不能用常规的焊接方式将电极引出，采用细导线通过导电银胶引出电极。导电银胶的涂抹一定要均匀，薄厚适中，否则，薄膜粘贴到基板会产生气泡。PVDF是柔性材料，当测量构件应力时传感器封装也应该是柔性材料，文章要将其应用到冲击波测试中，所以带引线的传感器薄膜应该粘贴到硬质基板上。将环氧树脂胶(AB胶)均匀的涂抹到硬质基板上，然后将PVDF薄膜粘贴在基板上，粘贴时要持续施加外力，挤出多余的AB胶以免留下气泡或粘贴不均匀。把传感器引出的两条细导线（正面背面各一根）通过导电胶与基板的两个通孔粘接，因为通孔与基板背面相连，这样传感器的两条导线就引到了基板的背面。这是由于压电式传感器产生的是电荷信号，后面一般要借助电荷放大器把电荷信号转换为电压信号，而电荷放大器的输入端都是标准的接口（常用 M5或 BNC），因此PVDF薄膜传感器必须与该标准接口连接，薄膜传感器的引出线太细不能直接与上述接头焊接，通过通孔背面转接引线的方式解决该问题。传感器薄膜表面导电层裸露易受外界电子干扰，应在其表面紧密粘贴一层PET薄膜，同时信号引出线采用同轴屏蔽线缆，最大限度减少外界干扰。传感器实物图如图4所示。

图4 薄膜传感器实物图

2.2 存储测试系统

图5 存储测试系统原理图

存储测试系统用于记录传感器对激励信号的响应特性，便于后续分析处理。其原理框图如图5所示。FPGA为外部芯片提供控制逻辑以及控制各模块间数据传输，宽箭头表示数据传递通道，单箭头表示控制信号。其工作原理为：AD芯片以一定采样速率将模拟信号转换为一定比特长度的数字信号（长度取决于A/D芯片精度），在FPGA控制下将该转换结果写入铁电存储器。采集存储数据的同时系统会执行以下操作：将每次A/D转换的结果和预设的触发电平阈值相比较，如果采样结果大于该触发阈值，FPGA向外部存储器写入一定个数（存储总长度-负延时长度）的采样数据后就会终止A/D、存储器的工作。如果采集到的数据一直未达到触发电平阈值，采样-存储过程就会一直执行下去，新采样的数据会继续写入存储器，覆盖之前的数据。读取数据的过程：根据写入的触发点地址计算出负延时的首地址，然后从首地址开始读取存代表储器容量大小的数据。采集存储的特点是得到的数据点是带有负延时的，保证了数据的完整性。FPGA是灵活可编程的，通过修改HDL代码可实现对A/D采样速率、负延时长度、触发电平、总存储长度等参数的控制。

存储测试系统的电路连接简图如图6所示，在实施动态特性实验时，传感器要安装到激波管端面。

图6 电路连接简图

3 动态特性实验分析及爆炸物仿真实验

针对柔性传感器的性能的研究，实施了以激波管为测试手段的动态特性实验，根据实验结果，分析研究了传感器的动态特性。

3.1 动态特性实验系统组成

使用激波管产生的阶跃信号作为压电传感器的激励信号，采集传感器的输出信号，研究其动态特性，系统的组成框图如图7所示。

动态特性实验系统由激波管，柔性传感器，电荷放大器、存储测试系统以及上位机组成。箭头方向表示信号传输方向：激波管产生的阶跃信号施加到传感器上，传感器产生的电荷信号通过电荷放大器转换为电压信号，被数据采集系统记录后，软件将采样数据显示在上位机。

图7 动态测试实验系统框图

3.2 激波管及其工作原理

激波管由高压室和低压室组成，高压室和低压室之间用塑料膜片或铝片隔开，高压室充气，在一定的压力下膜片爆破后高压气体迅速膨胀进入低压室（膜片越厚产生压力越大），从而形成激波，激波的波阵面压力保持恒定，接近理想的阶跃波，并以超音速冲向被标定的传感器，传感器在激波的激励下按固有频率产生一个衰减振荡，其波形被记录下来，用于分析确定传感器的动态特性。激波管实验示意图如图8所示，A-B处是安装传感器的端面截面。

图8 激波管实验示意图

将制作好的薄膜传感器安装到激波管堵头端面上，传感器安装示意图如图9所示（注：传感器与堵头接缝处需要做密封处理以防漏气）。传感器接至电荷放大器，电荷放大器输出端与采集存储电路连接。调节电荷放大器的参数以及存储测试电路参数，在激波管高压室与低压室之间放置一定层数（4层）的薄铝箔片（层数越多，激波管产生的超压峰值越高），实施试验。

3.3 实验结果

图9 传感器安装示意图

实验时，由于电荷放大器放大倍数设置值偏大，导致输出曲线出现截幅现象，调整电荷放大倍数及默片厚度反复实验，得到的阶跃响应曲线如图10所示。

从图10可知，传感器上升时间约为100 μs，峰值时间为150 μs，最大超调量为35%，调整时间为320 μs。

图10 传感器阶跃响应曲线

3.4 爆炸物仿真实验

针对自制柔性传感器的应用背景，实施了基于小型爆炸物的仿真实验，利用上文制作的柔性传感器，电荷放大器及示波器实施了仿真实验，在距离传感器一定距离处引爆小型爆炸物，示波器记录传感器输出波形，实验结果如图11所示。

可以看出传感器对小型爆炸物产生的冲击波有瞬态响应。

图11 小型爆炸物试验曲线

4 结束语

激波管校准系统的动态试验表明传感器上升时间约为100 μs，结合爆炸物仿真实验，该柔性传感器可初步应用于瞬态压力测试。通过改进传感器粘贴工艺提升传感器性能，如固有频率，最大超调量，上升时间等。