PVDF壓力傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度校準(zhǔn)

1、PV DF 壓力傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度校準(zhǔn)曾 輝 , 余尚江 , 楊吉祥 , 丁世敬(總參工程兵科研三所 , 河南 洛陽 471023摘 要 :利用霍普金森壓桿裝置 (SHPB , 對 PVDF 壓力傳感器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn) , 給出了校準(zhǔn)擬合直線方 程和線性度 。 校準(zhǔn)結(jié)果表明 , 霍普金森壓桿裝置是目前 PVDF 壓力傳感器較為理想的動(dòng)態(tài)靈敏度校準(zhǔn)設(shè) 備 ; 在較寬的壓力范圍內(nèi) (0240MPa , PVDF 壓力傳感器輸出靈敏度隨壓力增加緩慢降低 , 線性度約 ±3. 0%FS。關(guān)鍵詞 :聚偏氟乙烯 ; 壓力傳感器 ; 霍普金森壓桿 ; 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn) ; 靈敏度 ; 線性度中圖分類號 :T

2、P212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號 :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 言自從 1969年 Kawai 發(fā)現(xiàn)極化的聚偏氟乙烯 (PVDF 呈現(xiàn)很強(qiáng)的壓電效應(yīng)以來 ,PVDF 壓電薄膜 及以其為敏感元件的傳感器在加速度 、 應(yīng)變 、 聲波和 無損監(jiān)測等各個(gè)方面得到越來越廣泛的應(yīng)用 。 近年 來 , 利用 PVDF 具有超薄 、 高韌性 、 簡單 、 實(shí)用 、 性價(jià) 比高等特點(diǎn) , 成功地研制了 PVDF 壓力傳感器 , 用 來測量強(qiáng)沖擊荷載條件下巖土類介質(zhì)中壓力 (含應(yīng) 力 。 該傳感器是把 PVDF 片 (成品 粘固在厚不銹 鋼板上 , 兩極焊接低

5、噪聲電纜傳輸線 , 在引線處進(jìn)行 密封防潮處理 , 利用 PVDF 在相當(dāng)石英晶體的光軸 方向的正壓電效應(yīng) , 把壓力變化線性地轉(zhuǎn)換成電荷 量的變化 。PVDF 壓力傳感器只能測量動(dòng)態(tài)壓力 , 給定其 動(dòng)態(tài)靈敏度較之靜態(tài)靈敏度更有實(shí)際意義 。 目前壓 力傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)設(shè)備有激波管 , 它能提供上升 時(shí)間極短的階躍壓力 , 對分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性是 很理想的 , 但其最大校準(zhǔn)壓力僅幾 MPa , 另外還有 落體沖擊臺(tái)或流體壓力速卸裝置等 , 這類設(shè)備的最 大標(biāo)準(zhǔn)壓力可大于 200MPa , 但動(dòng)壓力的上升時(shí)間 一般為 ms 量級 。本文采用研究材料動(dòng)力學(xué)性能的 壓桿裝置 , 在壓力上升時(shí)間為

6、0. 050. 16ms , 最大 校準(zhǔn)壓力達(dá) 240MPa 的條件下 , 對 PVDF 壓力傳感 器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn) 。1 校準(zhǔn)方法動(dòng)態(tài) 校 準(zhǔn) 在 100mm 霍 普 金 森 壓 桿 裝 置 (SHPB 上進(jìn)行 , 如圖 1所示。 圖中輸入桿和輸出桿 兩端面緊靠在一起 , 一組 (6片 PVDF 片用 502膠均 布粘貼在輸出桿的端面上 , 片的引線端子伸出在桿 圓周面之外 。 氣炮中迅速釋放的高壓氣體驅(qū)動(dòng)炮彈 撞擊輸入桿 , 在輸入桿中產(chǎn)生一維平面壓縮應(yīng)力波 , 應(yīng) 力波經(jīng)輸入桿由被校準(zhǔn)的 PVDF 片傳遞到輸出桿。收稿日期 :2003-05-24 93 2003年 第 22卷 第 10期

7、傳感器技術(shù) (Journal of Transducer Technology 圖 1校準(zhǔn)裝置簡圖Fig 1 Simplif ied diagram of calibration device PVDF 片感受壓力后的輸出電荷 , 由電荷放大 器放大 ; 在輸入桿和輸出桿上共粘貼 6片電阻應(yīng)變 計(jì)用來測量輸入桿和輸出桿上應(yīng)變 , 應(yīng)變信號經(jīng)動(dòng) 態(tài)應(yīng)變放大器放大 。 通過放大器后的電荷和應(yīng)變信 號輸入到動(dòng)態(tài)測試分析儀 , 對波形進(jìn)行存儲(chǔ) 、 判讀和 分析 。 PVDF 片中的撞擊動(dòng)壓力 p (t 1為p (t =F/F 0 E t (t ,(1式中 F/F 0為壓桿的橫截面積 (F 與其面積內(nèi)所

8、 粘貼 6片 PVDF 面積之和 (F 0 的比值 , 實(shí)測 F/02. 692. 81; E 為桿材料 (E =2. 06×105t , 實(shí)測結(jié)果表明 , , 輸入桿和輸出桿中的應(yīng) 變值相差甚微 , , 可取其平均值作為 透射波應(yīng)變 。 PVDF 片在壓力作用下的輸出電荷值 , 可由實(shí)測波形電壓值 , 通過電荷放大器的設(shè)置檔換 算得出 。 由于每片的厚度及粘膠厚度都不完全一致 , 造成撞擊時(shí)片與壓桿的接觸狀態(tài)不一樣 , 使每片的 受力大小不一樣 , 致使每片的輸出電荷互有差別 , 由 于同一批同一類型的 PVDF 片的輸出靈敏度相差很 小 , 所以數(shù)據(jù)處理時(shí) , 可以取 6片輸出電

9、荷的平均 值 , 來表示 p (t 作用下 PVDF 片的輸出電荷 。改變氣炮的壓力和炮彈的行程 , 可改變輸入桿 的撞擊壓力 。 每一組試驗(yàn) , 壓力在 40240MPa 范 圍內(nèi)從小到大共放 1016炮 。 由于 PVDF 壓力傳感 器是將 PVDF 片粘貼在厚不銹鋼板上 , 以上校準(zhǔn)也 是把 PVDF 粘貼在不銹鋼壓桿端面上 , 所以該校準(zhǔn) 方法實(shí)質(zhì)上是對 PVDF 壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn) 。 2 校準(zhǔn)結(jié)果和分析共做了三組 PVDF 片的校準(zhǔn)試驗(yàn) 。 應(yīng)變計(jì)記錄 的入射波 、 透射波和 PVDF 記錄的典型電壓波形如圖 24 所示。圖 2應(yīng)變計(jì)記錄的入射波波形Fig 2 Incident w

10、 ave form measured with strain gauge圖 3應(yīng)變計(jì)記錄的透射波波形Fig 3 T ransmitted w ave form measured with strain gauge圖 4 PV DF 記錄的波形Fig 4 W ave measured with PV DF gauge4傳 感 器 技 術(shù) 第 22卷圖中波形特征與 PVDF 片中撞擊動(dòng)壓力 p (t 的 大小有關(guān)。 當(dāng) p (t 不大時(shí) (約小于 60MPa , PVDF 的波 形沒有平臺(tái) , 上升時(shí)間較長 (約大于 0. 16ms ; 隨 p (t 的 增大 , 波形平臺(tái)增長 , 上升時(shí)間減小

11、; 當(dāng) p (t 約 240MPa 時(shí) , 波形平臺(tái)約 0. 3ms , 上升時(shí)間約 0. 05ms 。 應(yīng) 變計(jì)記錄的入射波及透射波的特征與 PVDF 片的波形 特征大體一致 , 僅入射波的上升時(shí)間稍長。對每炮記錄的波形進(jìn)行判讀 , 當(dāng)沒有明顯平臺(tái) 時(shí) , 取波形的最大峰值 ; 當(dāng)有平臺(tái)時(shí) , 取平臺(tái)數(shù)據(jù)的 平均值 。 把每炮試驗(yàn)得出的動(dòng)壓力 p 與對應(yīng)的輸出 電荷 Q 的全部數(shù)據(jù) , 按過原點(diǎn)的最小二乘法處理 , 求得動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的擬合直線 :Q =S Q p 。 直線斜率 S Q 即單位壓力的輸出電荷 , 稱為輸出電荷靈敏度 ; 同時(shí)還按不過原點(diǎn)的最小二乘法處理 , 求得擬合直 線的截距 A

12、 和斜率 B 及線性誤差 L 。 以上數(shù)據(jù)處理 結(jié)果如表 1所示 。表 1 PV DF 壓力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果T ab 1 R esult of dynamic calibration of PV DF pressure transducer組號動(dòng)壓力范圍 p (MPa 炮數(shù)擬合直線 Q =S Q p (過原點(diǎn) S Q (pC /MPa L (±%FS擬合直線 Q =A +B p (不過原點(diǎn) A (pC B (pC/MPa 相關(guān)系數(shù) L (±%FS1802151639043. 449 60335670. 99901. 92402401036172. 41856834901.

13、 3 3402301035144. 23251732. 3平均值 502301036783. 3321. 8 第二組 PVDF關(guān)系如圖 5所示 。圖 5 PV DF 片動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)曲線Fig 5 Curve of dynamic calibration of PV DF gauge 由上可見 , PVDF 壓力傳感器在較寬的壓力范 圍內(nèi) , 輸出電荷與動(dòng)壓力關(guān)系呈現(xiàn)非線性 , 隨壓力增 加輸出靈敏度緩慢降低 , 在 0240MPa 范圍內(nèi) , 線 性誤差約為 ±3%FS。 這是因?yàn)?PVDF 是類似塑料 的非彈性材料 , 單位壓力的變形量隨壓力增大逐漸 減小 , 而 PVDF 壓電薄膜的

14、輸出電荷是與變形量成 正比的 。 但是由于其線性誤差不大 , 在較小的壓力 范圍內(nèi)可以按線性處理 , 比如在 060MPa 范圍內(nèi) , 數(shù)據(jù)處理表明 , 線性誤差約小于 ±1%FS。(1 霍普金森壓桿裝置可以提供上升時(shí)間為 幾十 s 、 壓力范圍較寬的動(dòng)態(tài)壓力 , 它是目前 PVDF 壓力傳感器動(dòng)態(tài)靈敏度校準(zhǔn)較為理想的試驗(yàn)設(shè)備 。 (2 在較寬的壓力范圍內(nèi) (0240MPa , PVDF 壓力傳感器輸出靈敏度隨壓力增加緩慢降低 , 線性 度約 ±3%FS; 在較小的壓力范圍內(nèi) (060MPa , 可以按線性處理 。(3 本文介紹了多片 PVDF 平均動(dòng)態(tài)靈敏度的 校準(zhǔn) , 但是只要選用小直徑的霍普金森壓桿或在輸 出桿前放置一塊粘貼 PVDF 片的等直徑高準(zhǔn)確度 的專用平行圓鋼板 , 可以實(shí)現(xiàn)對一片 PVDF