PVDF压力传感器的动态灵敏度校准

1、PV DF 压力传感器的动态灵敏度校准曾 辉 , 余尚江 , 杨吉祥 , 丁世敬(总参工程兵科研三所 , 河南 洛阳 471023摘 要 :利用霍普金森压杆装置 (SHPB , 对 PVDF 压力传感器进行了动态校准 , 给出了校准拟合直线方 程和线性度 。 校准结果表明 , 霍普金森压杆装置是目前 PVDF 压力传感器较为理想的动态灵敏度校准设 备 ; 在较宽的压力范围内 (0240MPa , PVDF 压力传感器输出灵敏度随压力增加缓慢降低 , 线性度约 ±3. 0%FS。关键词 :聚偏氟乙烯 ; 压力传感器 ; 霍普金森压杆 ; 动态校准 ; 灵敏度 ; 线性度中图分类号 :T

2、P212 文献标识码 :A 文章编号 :1000-9787(2003 10-0039-03C alibration of dynamic sensitivity of PV DF pressure transducer ZEN G 2Hui , YU Shang 2jiang , YAN G Ji 2xiang , DIN G Shi 2jing(The Third Science and T echnology I nstitute of E ngineering Corps , G eneral Staff , 471023,ChinaAbstract :The dynamic sensi

3、tivity of polyvinylidene fluoride ( by Split 2 Hopkinson pressure bar (SHPB . The calibration curve of The cali 2 bration results show that SHPB is a suitable of PVDF pressure transducer ,and the sensitivity of PVDF increase of pressure applied to it in the scope of 0240MPa ±K ey w ords :pressu

4、re transducer ; Split 2Hopkinson pressure bar (SHPB ; ;0 前 言自从 1969年 Kawai 发现极化的聚偏氟乙烯 (PVDF 呈现很强的压电效应以来 ,PVDF 压电薄膜 及以其为敏感元件的传感器在加速度 、 应变 、 声波和 无损监测等各个方面得到越来越广泛的应用 。 近年 来 , 利用 PVDF 具有超薄 、 高韧性 、 简单 、 实用 、 性价 比高等特点 , 成功地研制了 PVDF 压力传感器 , 用 来测量强冲击荷载条件下岩土类介质中压力 (含应 力 。 该传感器是把 PVDF 片 (成品 粘固在厚不锈 钢板上 , 两极焊接低

5、噪声电缆传输线 , 在引线处进行 密封防潮处理 , 利用 PVDF 在相当石英晶体的光轴 方向的正压电效应 , 把压力变化线性地转换成电荷 量的变化 。PVDF 压力传感器只能测量动态压力 , 给定其 动态灵敏度较之静态灵敏度更有实际意义 。 目前压 力传感器的动态校准设备有激波管 , 它能提供上升 时间极短的阶跃压力 , 对分析传感器的动态特性是 很理想的 , 但其最大校准压力仅几 MPa , 另外还有 落体冲击台或流体压力速卸装置等 , 这类设备的最 大标准压力可大于 200MPa , 但动压力的上升时间 一般为 ms 量级 。本文采用研究材料动力学性能的 压杆装置 , 在压力上升时间为

6、0. 050. 16ms , 最大 校准压力达 240MPa 的条件下 , 对 PVDF 压力传感 器进行动态校准 。1 校准方法动态 校 准 在 100mm 霍 普 金 森 压 杆 装 置 (SHPB 上进行 , 如图 1所示。 图中输入杆和输出杆 两端面紧靠在一起 , 一组 (6片 PVDF 片用 502胶均 布粘贴在输出杆的端面上 , 片的引线端子伸出在杆 圆周面之外 。 气炮中迅速释放的高压气体驱动炮弹 撞击输入杆 , 在输入杆中产生一维平面压缩应力波 , 应 力波经输入杆由被校准的 PVDF 片传递到输出杆。收稿日期 :2003-05-24 93 2003年 第 22卷 第 10期

7、传感器技术 (Journal of Transducer Technology 图 1校准装置简图Fig 1 Simplif ied diagram of calibration device PVDF 片感受压力后的输出电荷 , 由电荷放大 器放大 ; 在输入杆和输出杆上共粘贴 6片电阻应变 计用来测量输入杆和输出杆上应变 , 应变信号经动 态应变放大器放大 。 通过放大器后的电荷和应变信 号输入到动态测试分析仪 , 对波形进行存储 、 判读和 分析 。 PVDF 片中的撞击动压力 p (t 1为p (t =F/F 0 E t (t ,(1式中 F/F 0为压杆的横截面积 (F 与其面积内所

8、 粘贴 6片 PVDF 面积之和 (F 0 的比值 , 实测 F/02. 692. 81; E 为杆材料 (E =2. 06×105t , 实测结果表明 , , 输入杆和输出杆中的应 变值相差甚微 , , 可取其平均值作为 透射波应变 。 PVDF 片在压力作用下的输出电荷值 , 可由实测波形电压值 , 通过电荷放大器的设置档换 算得出 。 由于每片的厚度及粘胶厚度都不完全一致 , 造成撞击时片与压杆的接触状态不一样 , 使每片的 受力大小不一样 , 致使每片的输出电荷互有差别 , 由 于同一批同一类型的 PVDF 片的输出灵敏度相差很 小 , 所以数据处理时 , 可以取 6片输出电

9、荷的平均 值 , 来表示 p (t 作用下 PVDF 片的输出电荷 。改变气炮的压力和炮弹的行程 , 可改变输入杆 的撞击压力 。 每一组试验 , 压力在 40240MPa 范 围内从小到大共放 1016炮 。 由于 PVDF 压力传感 器是将 PVDF 片粘贴在厚不锈钢板上 , 以上校准也 是把 PVDF 粘贴在不锈钢压杆端面上 , 所以该校准 方法实质上是对 PVDF 压力传感器进行校准 。 2 校准结果和分析共做了三组 PVDF 片的校准试验 。 应变计记录 的入射波 、 透射波和 PVDF 记录的典型电压波形如图 24 所示。图 2应变计记录的入射波波形Fig 2 Incident w

10、 ave form measured with strain gauge图 3应变计记录的透射波波形Fig 3 T ransmitted w ave form measured with strain gauge图 4 PV DF 记录的波形Fig 4 W ave measured with PV DF gauge4传 感 器 技 术 第 22卷图中波形特征与 PVDF 片中撞击动压力 p (t 的 大小有关。 当 p (t 不大时 (约小于 60MPa , PVDF 的波 形没有平台 , 上升时间较长 (约大于 0. 16ms ; 随 p (t 的 增大 , 波形平台增长 , 上升时间减小

11、; 当 p (t 约 240MPa 时 , 波形平台约 0. 3ms , 上升时间约 0. 05ms 。 应 变计记录的入射波及透射波的特征与 PVDF 片的波形 特征大体一致 , 仅入射波的上升时间稍长。对每炮记录的波形进行判读 , 当没有明显平台 时 , 取波形的最大峰值 ; 当有平台时 , 取平台数据的 平均值 。 把每炮试验得出的动压力 p 与对应的输出 电荷 Q 的全部数据 , 按过原点的最小二乘法处理 , 求得动态校准的拟合直线 :Q =S Q p 。 直线斜率 S Q 即单位压力的输出电荷 , 称为输出电荷灵敏度 ; 同时还按不过原点的最小二乘法处理 , 求得拟合直 线的截距 A

12、 和斜率 B 及线性误差 L 。 以上数据处理 结果如表 1所示 。表 1 PV DF 压力传感器动态校准结果T ab 1 R esult of dynamic calibration of PV DF pressure transducer组号动压力范围 p (MPa 炮数拟合直线 Q =S Q p (过原点 S Q (pC /MPa L (±%FS拟合直线 Q =A +B p (不过原点 A (pC B (pC/MPa 相关系数 L (±%FS1802151639043. 449 60335670. 99901. 92402401036172. 41856834901.

13、 3 3402301035144. 23251732. 3平均值 502301036783. 3321. 8 第二组 PVDF关系如图 5所示 。图 5 PV DF 片动态校准曲线Fig 5 Curve of dynamic calibration of PV DF gauge 由上可见 , PVDF 压力传感器在较宽的压力范 围内 , 输出电荷与动压力关系呈现非线性 , 随压力增 加输出灵敏度缓慢降低 , 在 0240MPa 范围内 , 线 性误差约为 ±3%FS。 这是因为 PVDF 是类似塑料 的非弹性材料 , 单位压力的变形量随压力增大逐渐 减小 , 而 PVDF 压电薄膜的

14、输出电荷是与变形量成 正比的 。 但是由于其线性误差不大 , 在较小的压力 范围内可以按线性处理 , 比如在 060MPa 范围内 , 数据处理表明 , 线性误差约小于 ±1%FS。(1 霍普金森压杆装置可以提供上升时间为 几十 s 、 压力范围较宽的动态压力 , 它是目前 PVDF 压力传感器动态灵敏度校准较为理想的试验设备 。 (2 在较宽的压力范围内 (0240MPa , PVDF 压力传感器输出灵敏度随压力增加缓慢降低 , 线性 度约 ±3%FS; 在较小的压力范围内 (060MPa , 可以按线性处理 。(3 本文介绍了多片 PVDF 平均动态灵敏度的 校准 , 但是只要选用小直径的霍普金森压杆或在输 出杆前放置一块粘贴 PVDF 片的等直径高准确度 的专用平行圆钢板 , 可以实现对一片 PVDF