PVDF压电薄膜结构监测传感器应用研究

第19卷　第1期

石家庄铁道学院学报Vol .

19　No .12006年3月JOURNAL OF SH I J I A ZHUANG RA I L WAY I N STITUTE Mar .2006

PV D F 压电薄膜结构监测传感器应用研究

杜彦良,　宋　颖,　孙宝臣

(石家庄铁道学院大型结构健康诊断与控制研究所,河北石家庄　050043)

摘要:压电材料是目前在智能材料系统研究中应用最为广泛的传感材料之一。由于P VDF 压电薄膜具有制作成本低、机械性能好、灵敏度高等优点而受到了广泛关注。以P VDF 压电薄膜作为结构监测的传感元件,对P VDF 的应变传感原理进行了研究,并建立了基于信号采集与处理的P VDF 应变监测系统,最后对P VDF 监测构件裂纹进行了实验。实现了压电薄膜的应变与裂纹监测,为实际工程应用奠定了基础。关键词:P VDF 压电薄膜;应变传感;裂纹监测

中图分类号:TP212.9　文献标识码:A 文章编号:10063226(2006)01000104

收稿日期:20050704

作者简介:杜彦良　男　1956年出生　教授

1　引言

动态应变的测量一直是许多工程和力学工作者所关心的问题。常用的应变传感器有金属电阻应变片和半导体应变片。前者的灵敏度系数较低,后者的灵敏度系数有非线性和受温度影响大的缺点。因

而,开发研究新的应变测量技术是很有意义的[1]。

压电材料是智能材料系统中应用最为广泛的一类传感材料,近年来研制开发的P VDF 压电薄膜,由于柔性好、强度大、耐力学冲击、耐腐蚀和可以任意分割等优点而受到广泛应用。尤其是它的压电电压常数高,与基体结合后对结构的性能影响很小,对于机械应力或应变的变化具有极快速的响应,频响范围宽(0.1Hz 到几个GHz ),因此更适合用作传感元件。P VDF 测量应变,利用了P VDF 薄膜横向变形输出电荷的原理,由于P VDF 压电薄膜的电容较小,当它受外力作用时所产生的电荷很难长时间保持,因此更适宜用于结构的动态监测。

对以P VDF 压电薄膜作为传感元件进行动态应变测量的原理进行了研究,并建立了应变监测系统,力图实现基于P VDF 的结构应变与裂纹监测,从而推动大型结构健康监测的研究。

2　PVD F 压电薄膜应变传感原理及等效模型

2.1　PV D F 传感特性

在具有压电特性的材料中,电学参量和力学参量不再是相互独立的,而是相互联系的。压电方程是反映压电材料的电学量(E,D )和力学量(T,S )之间相互关系的物态方程。由于边界条件和自变量的差异,使其具有不同的形式[2]。为了直接描述P VDF 压电薄膜的输出电信号与应变之间的关系,采用第一类压电方程(d -型压电方程)。P VDF 压电薄膜作为传感元件使用时,外加电场为零,这时压电方程可表示为

D i =d ij T j (i =1,2,3,j =1,2, (6)

(1)式中,d ij 是压电常数。

P VDF 压电薄膜的电荷输出是它所有方向的应变在极化方向上作用的响应

Q =

∑d ij E PVDF εj S (2)

2　石　家　庄　铁　道　学　院　学　报第19卷式中,S 为P VDF 传感元件的电极所覆盖的面积;E PVDF 为P VDF 压电薄膜弹性模量;εj 为应变(j =1,2,3)。

利用P VDF 传感元件对结构面检测,P VDF 压电薄膜的基本尺寸为t ×l ×w (如图1(a )所示),极化方向平行于z 轴(如图1(b )所示),实验中布置在结构表面的P VDF 传感元件实际受力是一维状态,即只在x 图1　PV D F 压电传感器原理

方向进行传感,同时考虑P VDF 压电常数矩

阵[3]中不为零的常数,(2)式简化为

Q =d 31ε1E PVD F S

(3)2.2　PV D F 压电传感元件的电路等效模型

从功能上看,当压电薄膜作为传感元件

时是一个电荷发生器,因此可用一个电荷源

等效;从P VDF 压电传感元件的组成和几何

结构看,也是一个电容器。因此,输出电学理

想条件下的传感模型可以用电荷源等效[4]。

实际使用时,压电元件的输出端存在着电荷损耗的电学非开路条件,压电传感元件的电学响应不仅和机械作用有关,还与由电路损耗电阻确定的输出电流有关。P VDF 压电薄膜产生的电荷必须经电荷放大器变成电压信号,才能进行采集。

考虑P VDF 压电薄膜的等效电阻和电容分别为R a ,C a ,电缆的分布电容C c ,

电荷放大器的输入阻抗图2　电荷等效电路

R i ,C i 等损耗,其电荷等效电路如图2所示。且C =C a ∥C c ∥C i ,R =R a ∥R i 。

2.3　PV D F 压电传感元件与电荷放大器的配接[4]

电荷放大器是一个具有深度负反馈高增益的运算放大器,其等效电路如图3所示,K f 为电荷放大器

的开环增益,C f 为放大器反馈电容。U i 为电荷放大器的等效输入电压,U o 为电荷放大器的输出电压。

根据电路的有关知识和式(3),可得经电荷放大器放大后P VDF 压电传感器的最终输出电压为

U o =-K f U i =-K f Q /[C +(K f +1)C f ]=-K f d 31ε1E PVD F S /[C +(K f +1)C f ]

(4)式中,C =C a +C c +C i ,当(K f +1)C f µC a +C c +C i 时,(4)式可简化为

U o =-d 31ε1E PVD F S /C f

(5)图3　电荷放大器的等效电路

故当(K f +1)C f µC a +C c +C i 和当电荷放大器的系数

K f ϖ∞时可认为输出电压与电缆长度无关,这是电荷

放大器的突出优点。由式(5)可知,电荷放大器的输出

电压与被测结构的应变成线性关系。

3　PVD F 应变监测系统的建立

当P VDF 压电传感器与后端各种仪器组合使用构

成一个应变监测系统时,后端要连接电荷放大器和A /D 转换卡及计算机数据处理及分析系统,各种仪器之

间的输入电缆和输出电缆以屏蔽线构成。为减小噪声干扰,P VDF 传感器与被测结构之间绝缘连接,系统中采用的电缆线在使用中将其固定以便减小电缆噪声。基于P VDF 的应变监测系统框图如图4所示。