1、第 1 页 共 41 页压电薄膜传感器在药内应力测试中的应用研究摘要：压电薄膜传感器是以压电效应为基础，在外力作用下，产生电荷，从而实现非电量的电测。PVDF 压电薄膜传感器具有良好的线性压电关系而且频带宽、噪音小、灵敏度高 ,响应速度很快(ns 量级)，能够及时准确地捕捉药内部应力信号，可以满足应力动态测试信号的各项要求。PVDF 压电薄膜传感器测试系统是对药内应力响应进行实时监测。布置在药内的 PVDF 压电薄膜传感器将结构的局部应力响应转换成电荷信号输出，深入研究输出电荷与应力之间的关系及决定灵敏度的因素。由于电荷信号较弱，经电荷放大器转放大换成电压信号，再通过低通滤波器除去干扰，根据选
2、择的传感器的频率范围设定电路参数。再用 A/D 转换器将模拟电压信号转换成计算机可处理的数字信号，根据输出的电压信号可以得到药内应力的分布。关键词：压电薄膜传感器，电荷放大器第 2 页 共 41 页Within the piezoelectric film sensor in the drug study Stress Test第 3 页 共 41 页Abstract: The piezoelectric film sensor is based on the piezoelectric effect, the external force, resulting in charge, in o
3、rder to achieve non-electric power measurements. PVDF piezoelectric film sensor has a good relationship between the linear piezoelectric and frequency bandwidth, low noise, high sensitivity, fast response (ns order of magnitude), to capture timely and accurate drug internal stress signals, test sign
4、als to meet the dynamic stress requirements. PVDF piezoelectric film sensor is a drug testing system for real-time monitoring of the stress response. Arrangement in the drug within the structure of PVDF piezoelectric film sensor to convert the local stress response to charge signal output, the outpu
5、t charge and stress-depth study of the relationship between the sensitivity of the factors and decisions. As the charge signal is weak, replaced by the charge amplifier transfer amplified voltage signal, then through a low pass filter to remove interference, depending on the chosen frequency range o
6、f the sensor circuit parameters set. Then A / D converter analog voltage signals into digital signals the computer can handle, according to the output voltage signal can be the stress distribution within medicine. . Keywords: piezoelectric thin film sensor, charge amplifier第 4 页 共 41 页1 引言11 论文的研究背景
7、及解决方案传感器技术是当今世界上发达国家普遍重视并大力发展的高新技术之一。人类社会步入信息时代的今天，传感器技术已成为现代信息技术中必不可缺少的主要技术一切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统中要获取信息都要通过传感器转换为容易传输与处理的信号。传感器是将测量到的量转化成与之有对应关系的，便于采集和处理的量的输出器件或装置。国际电工委员会(IEe:InternatinalElectrotechnicalCommittee)的定义为:“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。 ”国际标准(GB665 一 87)中对传感器的定义是:能感受规定的被测量并按照
8、一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转化成适于传输和测量的电信号部分。传感器应该满足以下要求:1)与基体材料的相容性要好，对结构的性能影响要小;2)频率响应要宽，性能稳定、可靠、抗干扰能力强;3)能在结构的使用环境下正常工作。压电式传感器是一种典型的有源传感器，其工作原理是基于压电效应，即压电材料在外力的作用下，其电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量的转换。压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为
9、力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应力传感器，非常适合应用于药内信号监测 1。 当压电聚偏氟乙烯 PVDF 高分子膜（压电薄膜）受到力的作用时，薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉压或弯曲的力成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小第 5 页 共 41 页的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电
10、薄膜对动态应力非常敏感，28m 厚的 PVDF 的灵敏度典型值为 10 15mV /微应变（长度的百万分率变化）。“国内从 20 世纪80 年代开始研制 PVDF 压电压电薄膜，目前已有两种 PVDF 压电膜可供使用。一种是厚膜型，厚度在 150 m 以上。这种膜由于厚度较大，频响较低，适用于低频探测，如水声探测等；另一种是薄膜型，厚度在 2040 ，由于厚度薄、频um响高，适用于高频测量，其典型应用是爆炸冲击测量。中国兵器工业集团第五三研究所经过近 20 年的努力，以国产 PVDF 树脂为原材料，经特殊工艺研制成的薄型化 PVDF 膜，厚度在 20-60um，d33 达到 25pC/N，且具
11、有较好的均匀型和一致性。已在炮弹引信冲击加速度传感器、水声探测、激光能量探测等领域获得应用。在爆炸冲击测量领域，这种薄型化的 PVDF 压电薄膜已显示出良好的应用价值。席道瑛等用 Hopkinson 压杆对 PVDF 压电计进行了动态标定及其频响特性研究，利用 PVDF 压电计的标定结果测出了铝和岩石的应力衰减特性。结果表明，在所使用应力范围内，PVDF 压电计具有良好的线性压电关系，而且频带宽、噪音小、灵敏度高。刘剑飞等将 PVDF 压电计应用于低阻抗介质动态力学性能测试中。结果表明，这种测试避免了常规 Hopkinson 压杆方法的缺点，试验结果更准确地反映了实时冲击波的特点，具有更高的精
12、确度。中国工程物理研究院亦在应用PVDF 压电计进行爆破冲击波的测量。结果表明，其在测试冲击波到达时间和峰值强度方面 PVDF 压电计有其它传感器无可比拟的优点。PVDF 压电薄膜是一种优良的传感材料，在工业自动化、仪器仪表、医疗器具、爆炸冲击测量等领域有着广阔的应用前景。为了缩小与发达国家的差距，我国应集中人力物力，进一步开展 PVDF 压电薄膜的材料研究、应用研究和开始工作 2。根据以上资料，要测冲击过载下顿感炸药内部应力的分布情况，我选用 PVDF 压电薄膜传感器。通常情况下，振动测量时使用的传感器主要有压力传感器、速度传感器和加速度传感器，其中压电加速度传感器是在振动测试中使用最为广泛
13、的传感器。在进行振动检测时，人们关心拾取被检信号的准确性，这就要求压电加速度传感器的一些性能指标如灵敏度要大，有一定的频宽范围，且其它影响因素要小。在高速撞击条件下，界面物理量的测试越来越受到重视，特别是冲击载荷、界面间压力变化等。这些物理量在多数情况下，由于测点的局限性和结构的复杂性，难以第 6 页 共 41 页通过所测得的应力进行换算，需要采取一定的手段进行直接测试。为满足上述要求，目前测试技术上可以从压电性材料入手研究。所谓压电性(piezoelectricity)指的是电介质在压力作用下发生极化而在两端表面上产生符号相反的电荷的性质，作用力的方向改变，电荷的极性也随着改变，当外力去掉后
14、，该电介质又重新恢复到不带电的状态。在动力学的研究中，界面与界面之间压力、撞击载荷随时间的变化等的测试一直是一个难题，PVDF 压电特性的发现为解决这一难题提供了可能。随着高科技技术的迅速发展，国防军工事业也有了突飞猛进，测试技术在军工事业中得到了普遍的应用。测试技术是测量技术及实验技术的总称。定量地描述事物的状态变化和特征总离不开测试。简言之，测试是依靠一定的科学技术手段定量地获取 某种研究对象原始信息的过程。这里所讲的“信息”是指事物的状态或属性，如炸药内部的应力的分布。测试系统是一种能将被测参数转换成可以直接观测指示或的等效信息的测试设备。 “动态应力”这个术语是因为形变产生的电荷会从与
15、薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。当需要探测不同水平的预应力时，这反而成为压电薄膜的优势所在。薄膜只感受到应力的变化量，最低响应频率可达 0.1Hz。压电薄膜很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，因此可以广泛应用于军用传感器，尤其是需要探测细微的信号时。显然，该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出（在某些结构中，甚至还可以产生少量的能量）。而且压电薄膜极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。测试是获取结构真实动态特性的重要手段之一 3.本课题中，选用 PVDF 压电薄膜传感器，通过测试的手段，设计应力测试电路，根据读取的电信号从而获得冲击过载下炸药内部应力的分布情况。1.2 国
16、内外研究现状1.2.1 压电材料的发展及特点自 1880 年法国的物理学家居里兄弟发现石英晶体具有压电效应至今，人类发现了多种具有压电效应的材料，包括石英晶体、压电陶瓷及压电聚合物等，主要特性如下 45：石英：石英晶体属于无对称中心的晶体，当它在某一方向受压时，电平衡被第 7 页 共 41 页破坏，而产生压电效应。石英晶体压电系数较小，大多在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中用作压电元件。压电陶瓷：压电陶瓷是抑制经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，即需要无数细微的单晶组成，所谓“铁电体”，其具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一个电畴，无数个单晶电畴的无规律排
17、列，使原始的压电陶瓷不具有压电效应。为使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理，即在一定的温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向电场方向做规则排列，经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去除后，其内部仍存在很强的剩余极化强度。压电陶瓷由于压电效应强，居里温度高，各项极大参数受温度和时间等外界因素的影响较小，因此，它是目前使用最为普遍的一种压电材料。压电聚合物：压电聚合物是过去40 年间研究、发展起来的一类新型压电材料。其中尤以1969 年PVDF 的研究发现具有代表性。20 世纪40 年代已成功合成的PVDF，不仅具有机械强度高、化学性能稳定、易于加工等独特性能。由于PVDF 具有很强的压电性和
18、热释电性，而且与其它高分子材料制成大面积薄膜和不规则形状，尤其是其密度很小，声阻抗很低，能与水和人体形成良好匹配，由于这种薄膜厚度薄、频响高，对测量条件无明显影响，能真实反应材料应力，因此受到国内专家们的青睐 6。由于这种薄膜厚度薄、频响高，对测量条件无明显影响，能真实反应材料应力，因此受到国内专家们的青睐。近年来，PVDF 薄膜在爆炸冲击测量上的应用日渐成熟。由PVDF 薄膜做成的应力计可测应力高达几十GPa，频率响应可达到数百 。所以本课题选用的压电材料为PVDF压电薄膜。MHz1.2.2 PVDF 压电薄膜传感器的研究现状1969 年，日本 Kawai 发现高分子材料聚偏氟乙烯（poly
19、vinylidenefluoride 简称PVDF）具有极强的压电效应，同年，美国研究了聚氯乙烯等聚合物的压电性及提高聚偏氟乙烯等聚合物活性的方法，并设计水下音响装置、压力传感器和压电打火机等器件。由于 PVDF 薄膜具有压电性能强、声阻抗低、频率响应宽、质量轻、柔性以及加工性能良好和价格低廉等优点，引起了各国学者的极大兴趣，并在制第 8 页 共 41 页备工艺、性能和实际应用方面都进行了深入广泛的研究 78。国外研究现状：自从发现 PVDF 薄膜具有压电特性以来，国际上就对该材料进行了深入的研究。目前，在日本、美国和欧洲等地区己经取得广泛的进展，其产品己经应用在各个领域。(1)力学测量方面由
20、于 PVDF 压电薄膜具有很强的压电性能，其电荷压电常数 d 比石英高 10 多倍，电压压电常数 g 的值比 PZT(压电陶瓷)高约 20 倍，在力学测量方面的研究成为基本方向之一。如利用 PVDF 压电薄膜的电荷输出与应变成正比的特性可以测量结构的应变.AudranP 等人将 4 片方型 PVDF 压电薄膜片粘贴在梁上测量梁的应变大小，并将其转换成结构的声强做为误差信号对梁的振动进行主动控制。(2)结构模态测量方面由于 PVDF 压电薄膜有其特殊的积分特性，利用 PVDF 压电薄膜对结构体的结构模态测量研究也是人们感兴趣的方向之一。RongliangChen 和 BorTsuenWang 曾
21、利用方型 PVDF 压电薄膜粘贴在悬臂梁和简支板上测量其固有频率、振型和模态阻尼比。Cuhat.D 和 Davies.P 基于模态测试的原理，使用 PVDF 压电薄膜形状传感器来测量弯曲振动梁表面的应变。以前，对此类传感器的研究主要集中于经典边界条件下的均匀结构，现在他们提出了用实验方法设计 PVDF 薄膜形状传感器可以对任意边界下不均匀欧拉一伯努利梁进行检测。(3)医学测量方面PVDF 薄膜的出现为解决医学检查问题提供了一种新的途径。JavadDargahi和 Raminsedaghati 等人利用 PvDF 薄膜具有机械柔性的特点，开发了内窥镜检查用齿形触觉传感器，可用于对敏感性组织的力和
22、柔顺性进行测量，为医学上敏感组织的力和柔顺性测量提供了一种方法。samjinchoi 和 zhongweiJiang 研制了一种新型佩戴式心肺信号检测设备，用于检测在家庭环境中睡眠时的心肺信号状态。(4)触觉测量方面触觉传感器一直是现代自动化机器人研究的重点，最近，模拟人手感觉工作的PVDF 触觉传感器己用在机器人上。PVDF 压电薄膜受力后产生电荷，它按电荷量的第 9 页 共 41 页大小和分布来判别物体的形状，同时与机器人的抓取系统协调工作。(5)能量采集方面能源问题是当今的一个重要课题，现在，人们正在尝试利用 PVDF 薄膜对各能量进行采集和转换。如 Hausle;和 Stein 利用
23、PVDF 压电薄膜制作的换能器，将PvDF 薄膜植入动物体内，将动物呼吸产生的机械能转换为电能。采集环境中的振动能量装置正在研发之中，如应用收集波能的理念将 PVDF 薄膜制成换能器，通过将压电元件置入鞋跟，可以将步行的能量转化为电能。国内研究现状自从上世纪 80 年代我国研制出 PVDF 薄膜以来，大多高校和科研院所都进行了 PVDF 压电传感器的研究工作。近年来，随着国内经济的迅速发展，PVDF 薄膜传感器的研究取得了突飞猛进的进展，部分研究成果己经实现了产品化。在结构测量方面，江苏大学的吴锦武，姜哲利用正弦函数展开式来近似计算固定板振动位移，通过设计特殊形状的 PVDF 压电薄膜，使 P
24、VDF 输出信号作为所需要的振动结构体积位移的函数。在应力检测方面，重庆大学的刘建胜、王代华将 PVDF 传感器固定在桥索端部，通过监测桥索的应变得到振动参量，实时监测分布于大桥上的桥索张力变化。在线监测桥索的张力就能掌握斜拉桥各部分的载荷分布及其变化情况，实现斜拉桥张力的在线测量，从而为确定大桥是否处于正常运营状态提供依据。在医学方面，山东大学王国力，赵子婴等从模拟中医脉搏诊断的角度，研制了同时感受寸、关、尺兰部位脉搏信号的仿生手诊用的 PVDF 压电薄膜传感器，修正了电荷放大电路和其它信号调理电路，又对得到的脉搏波形进行整形，并专门进行了消噪处理，提高了测量的灵敏度，有效地抑制了非线性失真
25、。武汉工业学院的胡涛提出了一种新型的 PVDF 压电薄膜压力分布计算机测试系统，包括多点压电薄膜传感器、多点电荷放大装置和数据处理系统等几部分。该系统可以实现全场实时测量，其动态范围可达 0.1500Hz;采用微机输出独特的图像动画，使测量结果更为直观，为动态接触问题的研究及振动测试提供了新的研究方法.此外，微型化、小型化和无线传感器是 PVDF 传感器研究的又一个主要的方向。总之，在国内外对 PvDF 薄膜的研究在各个方面己经取得了实质性的进展，第 10 页 共 41 页为 PVDF 薄膜产品广泛的开发、生产和广泛应用提供了良好的实验理论基础。1.3 本文的研究内容本课题从压电材料的特性入手
26、，PVDF 显示出显著地优越性，选用 PVDF 压电薄膜传感器。深入研究了压电薄膜传感器的基本测量原理，根据课题背景，建立模型，确定输出电荷（电压）和应力的关系以及其间物理量之间的关系，通过测量电路得输出电压信号，从而得到药内应力的分布。PVDF压电薄膜传感器测试系统是对结构的应力响应进行实时监测，将系统中各种仪器连接起来，实现对PVDF压电薄膜监测的应力输出信号的采集、传输、记录、处理的全过程研究。首先，布置在药内的 PVDF 压电薄膜传感器将结构的局部应力响应转换成电荷信号输出，压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。，需要使电荷信号经电荷放大器转换成电压信号。输出的电压信号通过电压信号采集仪将电压信号转换成计算机可处理的数字信号，经过计算机处理与分析后的数字信号可进行存储，分析和比较其信号特征。本课题的流程图如 1.1 所示：图 1.1 流程图
