PVDF应力传感器的制作及压电特性的实验研究

摘要

PVDF(Polyvinylidene Fluorde)压电薄膜自作为传感器以来，以其灵敏度高、成本低、厚度薄、耐腐蚀、频率响应范围宽、易于切割和布设以及稳定性好等特性，成为目前研究内容、应用十分广泛的传感材料。本文从研究PVDF压电薄膜的基本原理、制作工艺、封装技术丌始，依次使用立式Hopkinson压杆、分离式Hopkinson压杆和一级轻气炮从低压到高压进行标定，并绘制出标定曲线。
　　 国内，PVDF压电薄膜的研究都是以实验室为单位进行，制作的PVDF应力传感器形状和厚度各异，没有形成统一的标准；并且缺少20MPa以下和一维应变下的标定曲线；研究PVDF传感器的封装技术，对封装结构的组成、封装材料的选择和封装的工艺都做出了明确的阐述；实验室建立了一套立式Hopkinson压杆系统，使用自制的PVDF应力传感器进行低应力的标定试验，绘制了应力值在20MPa以下低应力标定曲线；利用分离式Hopkinson压杆标定PVDF应力传感器，绘制了范围为30-50MPa标定曲线；使用一级轻气炮研究PVDF薄膜在一维应变下的特性曲线，动态冲击的压电特性，绘制了一维应变下应力范围为100-450MPa的标定曲线；拟合灵敏度系数K值分别为14.96 pc/N、13.21 pc/N和11.9pc/N。由标定结果可知，随着应力的增加，灵敏度系数逐渐减小，但在一定的压力范围内，保持良好的线性。加载速率、应力状态、温度以及传感元件的尺寸都不同程度的影响传感器的K值，定量分析有相当难度。新制作的传感器应根据实际状况相近的标定K值。利用标定曲线分别使用分离式Hopkinson压杆和轻气炮测试高聚物材料-聚丙烯；在SHPB试验上由应变片记录得到的波形和PVDF传感器得到的波形形状相同，但后者的应力值略大于前者应力值，主要是由于PVDF传感器的原始波形的振荡部分被认作为加载，使积分面积增加：本文中轻气炮试验得到的数据与文献(42)使用粒子速度计得到的数据，共同计算得到聚丙烯的Hugoniot参数接近文献(38)给出的材料参数。
　　 最后介绍了锰铜计的基本原理和标定方法。通过实验验证了脉冲电源存在的问题-瞬间的充放电会出现短暂的振荡波形；利用锰铜计的轻气炮平板撞击，标定新一批锰铜计的同时，对制靶工艺进行改进-前置触发探针，不仅解决了锰铜计冲击波形在起跳前的振荡，并消除了使用两个锰铜计测量时出现互干扰的现象。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1传感器的概述

1.1.1传感器的定义

1.1.2压电式传感器

1.2 PVDF应力传感器在动态压力测试的应用现状

1.3压阻式传感器-锰铜计

1.4本文工作概述

第二章PVDF应力传感器的原理和制作

2.1压电材料的压电效应

2.2 PVDF薄膜常用的一类压电方程

2.3 PVDF应力传感器的测试方法

2.4 PVDF薄膜的一些物理参数

2.5 PVDF应力传感器的制作

2.5.1 封装材料

2.5.2 封装工艺

2.6本章小结

第三章PVDF压力传感器在Hopkinson杆和轻气炮上的标定试验

3.1 立式Hopkinson杆装置

3.1.1实验装置

3.1.2立式Hopkinson压杆标定试验原理

3.2标定试验和标定曲线

3.3 PVDF应力传感器在SHPB压杆上的标定

3.4 PVDF应力传感器的一级压剪轻气炮的标定试验

3.4.1 一级压剪轻气炮冲击试验原理

3.4.2标定试验和标定曲线

3.5本章小结

第四章PVDF应力传感器的应用-聚丙烯材料的测试

4.1试验材料的介绍

4.2 SHPB压杆试验

4.2.1 试验装置

4.2.2试验结果与分析

4.3轻气炮冲击试验

4.3.1 试验参数及设计说明

4.3.2试验结果与分析

4.4本章小结

第五章锰铜压阻应力计的平板撞击试验

5.1实验室锰铜计简介与工作内容

5.2锰铜压阻应力计的原理和动态标定

5.2.1锰铜计的动态标定原理

5.2.2脉冲电源

5.2.3锰铜计测量电路及计算公式

5.3锰铜计的响应

5.4本章小结

第六章全文总结与展望

6.1全文总结

6.2未来研究的展望

参考文献

致谢

硕士在读期间发表的学术论文