薄片石英应力传感器标定及应用

康家硕 林鹏 陈塞飞 李玉鑫

摘 要：以x切割薄片石英晶片为压电元件，构造了三明治结构的压电应力传感器。在SHPB实验装置上，对一维应力条件下薄片石英应力传感器的动态压电系数进行了标定，得到了传感器的压电系数为2.58±0.03pC/N。将该传感器作为压杆式应力计的工作元件，成功测量了片炸药爆炸传入杆中的应力波。

关键词：石英晶体；应力传感器；压电系数；标定

中图分类号：O348.2 文献标志码：A

0 引言

压电敏感元件的材料主要有压电晶体、压电陶瓷和高聚物极化薄膜，压电陶瓷和高聚物薄膜由于压电性能的稳定性较差而限制了其使用。在这几种压电材料中，石英晶体是一种响应频率高（ns量级）且性能稳定的压电晶体，其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内几乎不随温度变化，因此，被广泛应用于冲击加载下的应力测量。对于应力脉冲宽度小于1 μs、应力峰值小于2.5 GPa的冲击应力载荷，常使用具有一定厚度（厚度一般大于3 mm）的沿x方向切割的石英圆盘片。这种结构的传感器也称为Sandia石英传感器，其直径-厚度比一般大于5，测试精度可达2.5 %，但是，Sandia石英应力传感器不适合置入靶中来进行较长脉冲宽度的应力波测量。为克服Sandia型石英晶体片测试有效时间短的缺点，Chen W采用薄片石英晶片来进行分离式Hopkinson压杆（简称SHPB）中的应力波测量。在软材料的动态性能测试中，石英晶体被创新性地应用于SHPB实验的透射波测量，巧妙地解决了软材料动态力学性能测试实验中透射应力波微弱的测试难题。但是，薄片石英晶片由于厚度薄，存在强度低、难以重复使用的缺点。

为了克服薄片石英晶片强度低、不能重复使用的缺点并实现对动态应力波的准确测量，该课题对x切割薄片石英应力传感器的结构进行了封装工艺研究，并在SHPB实验装置上对薄片石英应力传感器的动态压电系数进行了实验标定。将薄片石英应力传感器应用于一种压杆式应力计中，完成了薄片炸药爆炸冲击载荷的测量。

1 石英应力传感器封装

薄片石英晶片在使用中，容易碎裂而不能重复使用。通过在实验中不断探索，发现晶片碎裂的原因主要是压杆的端面的平面度和晶片不匹配造成的。为此，在晶片的两面覆盖平面精度高的铝片来进行保护。如图1所示，自制的应力传感器的核心单元是厚度为0.2 mm、直径为20 mm的x切割石英晶体片，电极由两侧厚度为2 mm、直径为20 mm的薄铝片引出，铝片和石英晶体片之间用导电胶黏结。两侧铝片不仅起到保护晶片的作用，而且起到收集电荷的作用。在使用时，传感器的两侧（铝片表面）均需黏贴绝缘薄膜进行隔离，以便起到绝缘作用。

2 传感器的标定

2.1 标定方法

石英晶体应力传感器压电系数的标定是在分离式SHPB装置上进行，实验装置如图2所示。由气枪发射的子弹（打击杆）以一定的速度撞击入射杆，产生一个一定幅度的入射波在杆中传播。波形整形器的作用是消除波形中弥散效应带来的震荡，使波形有明显的波峰。夹在入射杆和透射杆之间的石英晶体应力传感器因晶体片的压电效应从而将承受的冲击载荷转换为压电电荷，由电荷放大器采集并由示波器记录。透射杆上的应力波由应变片测量，利用超动态应变仪处理电阻应变片的信号，再由示波器记录。

2.2 标定结果

鉴于石英晶体片的压电效应呈线性关系，因此，选用不同的子弹撞击速度，进行多次实验，得到多个（电荷-冲击力）实验点，再通过最小二乘法拟合得到石英晶体应力传感器的压电系数。十片传感器的标定结果见表1。

对表1中十个数据点进行统计，得到传感器压电系数为：2.58±0.03pC/N。Ur为测试结果的相对不确定度。

3 应用

薄片炸药常用于模拟强脉冲X射线辐照圆柱形结构产生的余弦分布冲量载荷，在载荷设计中需要知道炸药的比冲量参数。薄片炸药的比冲量特性是一个重要的参数，需要通过实验来测定。将薄片石英应力传感器作为工作元件，构成压杆式应力计。对一种0.4 mm厚度的片炸药爆炸产生的载荷进行了测量，图3给出了实验测得的压杆中传播的冲击应力波波形。对应力波波形积分，可以得到片炸药的比冲量。对比冲量的实验结果和理论计算结果值比较，不确定度小于5 %，说明了该测量系统是可靠的。

4 结语

以直径20 mm、厚度0.2 mm的x切割石英晶片为传感元件，以导电胶黏结直径20 mm、厚度2 mm的铝片作为电极，构成了一种薄片石英压电应力传感器。实验中发现，铝片不僅起到了电极的作用，而且对石英晶片起到了保护作用，使传感器可以使用多次而不破坏，有效降低了实验成本。对传感器进行了一维应力加载标定实验，得到其压电系数为2.58±0.03pC/N。利用石英应力传感器对爆炸载荷进行了准确的测量。该课题的研究具有重要的工程使用价值。

参考文献

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