PVDF压电薄膜结构监测传感器应用研究
PVDF压电薄膜的力学性能和压电效应实验研究
华中科技大学硕士学位论文摘要PVDF（Polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯）压电薄膜作为一种新型高分子压电材料，由其制成的传感器具有灵敏度高、频带宽、声阻抗低、电压输出高和可加工成特定形状等优点，被广泛用于各个领域。
本文对镀银PVDF压电薄膜的基本力学性能，不同温度场下的振动特性和不同厚度薄膜的压电效应进行了实验研究与分析，具体研究内容及结论如下：首先，选用了厚度分别为40μm、64μm和122μm（上下表面镀银层均为6μm）的PVDF压电薄膜，利用纤维拉伸试验机对其平行分子链方向（1方向）和垂直分子链方向（2方向）分别进行拉伸力学性能测试，获得了相应的应力-应变曲线。
试验结果表明：在弹性阶段，两个方向的力学性能较为接近，但进入塑性阶段，两个方向的力学性能差异明显，表现出强烈的各向异性。
其次，制作了厚度分别为40μm、64μm和122μm的PVDF悬臂梁试样，利用非接触式振动测试系统，测试了其在不同温度场下的振动特性，并获得了其一阶固有频率。
实验结果表明：PVDF悬臂梁的一阶固有频率随着温度增加而减小，在初始升温阶段，频率值下降较为缓慢，而当温度升高到一定值时，频率值下降较快，同时，PVDF压电薄膜厚度越小，其固有频率受温度影响越大。
最后，基于非接触式振动测试系统，对PVDF压电薄膜的压电效应进行了实验研究。
三种不同厚度PVDF悬臂板压电效应实验结果表明：电压-频率曲线与幅频响应曲线具有很好的一致性，且输出电压峰值对应的激励频率与PVDF悬臂板共振频率一致，表明PVDF压电传感器输出电压与输入应变具有很好的线性关系，适宜于应变测量，且厚度较小的PVDF压电薄膜灵敏度较高。
本文对PVDF压电薄膜的基本性能进行了实验研究与分析，为PVDF压电传感器的设计与优化提供基础数据支撑，具有重要的工程应用价值。
关键词：PVDF压电薄膜；拉伸力学性能；振动特性；压电效应华中科技大学硕士学位论文AbstractAs a novel piezoelectric polymer material, the sensors made of PVDF(polyvinylidene fluoride) piezoelectric film have the advantages of high sensitivity, wide frequency band, low acoustic impedance, high voltage output, and can be processed into specific shapes,which are widely applied in various fields. In this paper, the basic mechanical properties, the vibration characteristics under different temperature fields, and the piezoelectric effect of silver-coated PVDF piezoelectric films were studied experimentally and analyzed. The specific research contents and conclusions are as follows: First, the PVDF piezoelectric films with different thickness of 40 μm, 64 μm, and 122 μm (the thickness of coated silver on the upper and lower surfaces is 6μm) were prepared. The tensile samples of PVDF piezoelectric film were tested in two directions using a fiber tensile tester,i.e.,parallel (1 direction) and perpendicular (2 direction) to the molecular chains, and the corresponding stress-strain curves were obtained. The experimental results show that: in the elastic stage, the mechanical properties of the two directions are practically identical,however ,in the plastic stage, the mechanical properties of the two directions are significantly different, showing a strong anisotropy.Next, PVDF cantilever specimens with thicknesses of 40μm, 64μm and 122μm were prepared respectively. The non-contact vibration test system was used to test the vibration characteristics of the PVDF cantilever beam under different temperature fields, and its first-order natural frequency was obtained. The experimental results show that the first-order natural frequency of the PVDF cantilever beam decreases with increasing temperature. In the initial heating stage, the frequency decreases more slowly, and when the temperature rises to a certain degree, it declines rapidly.Besides ,the smaller the PVDF film thickness is, the greater its natural frequency is affected by the temperature.Finally, based on the non-contact vibration test system, the piezoelectric effect of PVDF was investigated experimentally. The experimental results of three different thickness PVDF cantilever plates show that the voltage-frequency curve is in good agreement with the amplitude-frequency response curve, and the excitation frequency corresponding to the peak output voltage is consistent with the resonance frequency of the华中科技大学硕士学位论文PVDF cantilever plate, indicating the sensor’s output voltage has a good linear relationship with the input strain and is suitable for strain measurement. In the same time ,the sensor made of smaller thickness has higher sensitivity.In this paper, the basic properties of PVDF piezoelectric films were experimentally researched and analyzed,which provides the basic data reference for the design and optimization of PVDF piezoelectric sensors and has much significance in engineering application.Keywords: PVDF piezoelectric films; Tensile mechanical properties; Vibration characteristics; Piezoelectric effect.华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)1绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2PVDF压电薄膜基本特性 (2)1.3PVDF传感器在不同应用领域国内外研究现状 (5)1.4本文主要研究内容及安排 (13)2PVDF压电薄膜力学性能实验研究 (15)2.1PVDF压电薄膜表面形貌表征 (15)2.2PVDF压电薄膜拉伸力学性能 (16)2.3实验结果及分析 (18)2.4本章小结 (22)3不同温度场下PVDF悬臂梁振动特性实验研究 (23)3.1悬臂梁固有频率 (23)3.2PVDF悬臂梁振动测试实验 (24)3.3实验结果与讨论 (27)3.4本章小结 (33)4PVDF悬臂板压电效应实验研究 (34)4.1PVDF压电传感器信号调理电路 (34)4.2PVDF悬臂板压电效应实验 (37)华中科技大学硕士学位论文4.3实验结果与分析 (40)4.4本章小结 (46)5总结与展望 (47)5.1总结 (47)5.2展望 (48)致谢 (49)参考文献 (51)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景和意义在日常生产活动中，结构的振动是一个很普遍的问题。
基于PVDF传感器的监测系统研究
基于PVDF传感器的监测系统研究随着科技的发展，传感器的应用越来越广泛，尤其是在智能化、自动化控制、环境监测等领域，传感器的作用越来越显著。
PVDF传感器是一种能够将机械信号转化为电信号的传感器，具有高灵敏度、低成本、小损耗等特点。
因此，PVDF传感器的应用越来越广泛，目前主要应用在制造业、医疗设备、航空航天等领域。
PVDF传感器的优点PVDF传感器有以下优点：1、高灵敏度：PVDF材料的压电系数非常大，因此能够提供非常高的灵敏度，可检测微小的压力变化。
2、高稳定性：PVDF材料的抗老化能力强，不会因时间的推移而出现性能下降的情况。
3、低成本：PVDF材料的价格相对较低，制造过程中采用的技术也比较简单，因此成本比较低。
4、小损耗：PVDF材料具有良好的机械强度和耐磨性，可抵抗环境因素对其造成的损耗。
PVDF传感器的应用1、制造业PVDF传感器在制造业中应用广泛，可以用于制造机器人、自动化生产线等硬件设备。
通过使用PVDF传感器，可以监测机器人的位置、转向、速度等参数，调节机器人的运动状态，避免出现停顿、卡顿等问题。
同时也可用于采集生产线中的数据，比如产品重量、尺寸、颜色等方面的信息，为后续的数据分析和优化提供支持。
2、医疗设备PVDF传感器能够检测到人体的压力变化，因此在医疗设备中应用广泛。
比如，可用于压力床垫，医护人员可以通过此床垫监测到病人的体位、体重变化、睡眠状态等信息。
另外，在康复设备上也可以采用PVDF传感器，用于监测运动员的肌肉状况，对训练效果提高有帮助。
3、航空航天PVDF传感器可在航空航天领域中用于检测安全压力、重量及航行时产生的振动和压力等信息。
它的高灵敏度和高精度能够满足航空航天领域的需求，因此在发展航天科技中具有很大的潜力。
PVDF传感器监测系统研究为了更好地应用PVDF传感器，需要研究监测系统，以实现数据的采集、分析和处理。
监测系统由三部分组成：1、传感器：通过粘贴PVDF传感器到所要检测的物体上，通过检测应变信号来获得物体运动的信息。
PVDF压电薄膜制作传感器的理论研究
2
PVDF 压电薄膜制作传感器的理论分析
收稿日期 ! 2004 -09 -11 3
修回日期 ! 2004 -10 -20
当将 P VDF 压电薄 膜 贴 在 薄 板 上 时 9 板 的 坐 标 轴 J 的 方 向与薄膜的拉伸方向J, 之 间 的 夹 角 为O 9 z 轴 的 方 向 它 们 是 一 致的 9 如图 2 所示 薄板系统符合克希霍夫 ( Ki rchhof f . G ) 薄板理论的假设
1I
1
PVDF 压电薄膜的压电方程
压电效应的物态 方 程 反 映 了 晶 体 电 学 量 (E 9 D ) 和 力 学 量 (T 9 S ) 之间的相互关系 9 因此压电方程 14 I 为 T (1 ) Di =d iP T ] + Z ij Ei 式中 T 应 力9 E 电 场 强 度3 D 电 位 移9 Z T 压电应变常数矩阵 介电常数矩阵的转置矩阵 9
H
, 1U HT T , 2 = C T m <O > 8
8 0 8J 8u 0 8}
U
+z P C
T m <O >
HT , 6U H
图2 薄板和薄膜位置关系示意图
2 > u f Y <1 uf 2 > Y/ <1 uf 2 8 I - 2 U 8J 2 8 I - 2 8}
0 0 H 8} + 8J U
-3
则选取 9 如图 1 所示
其压电应变常数矩阵为 0 0 0
H 0
= 0
0 0
d 15
0 0
0U 0 0U (2 )
d 24
0
H d 31 d 32 d 33
~z 到 10 9 ~z 均 能 转 换 机 电 效 应 9 而
压电薄膜传感器工作原理以及应用
压电薄膜传感器工作原理以及应用压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。
一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。
本文将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。
工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。
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，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm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）。
使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与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。
压电薄膜传感器简介压电薄膜传感器拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。
一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。
工采网将着重介绍几种压电薄膜在生命特征监护方面的典型应用。
压电薄膜传感器工作原理当你拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜），薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号（电荷或电压），并且同拉伸或弯曲的形变成比例。
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，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm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）。
使用‘动态应力’这个术语是因为形变产生的电荷会从与薄膜连接的电路流失，所以压电薄膜并不能探测静态应力。
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇
PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究共3篇PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究1PVDF压电薄膜及其传感器的制备与性能研究随着现代科技的不断进步，传感器已经广泛应用于各种电子设备和计量仪表中，传感器作为连接物理世界与数字世界的纽带，其性能不仅关系到设备的稳定性和性能，还关系到生活和工业领域的实际应用。
近年来，PVDF压电薄膜作为一种新型的传感器材料，受到了人们的广泛关注。
本论文从制备PVDF压电薄膜入手，探讨了PVDF压电薄膜的性能，并研究了其在压力传感器中的应用。
1. PVDF压电薄膜制备PVDF压电薄膜的制备过程主要分为以下两步，分别为拉伸和极化。
1.1 拉伸首先，需要将PVDF粉末通过非溶剂法制造成PVDF膜，然后将PVDF薄膜导入拉伸机中，利用一定的拉伸速度和力度拉伸成一定厚度的PVDF薄膜。
1.2 极化拉伸后的PVDF薄膜需要进行极化，将其放置在特殊的高温和高压环境中，使PVDF薄膜内部产生电极化作用，形成一定的电极化强度和方向，从而使PVDF薄膜产生压电效应。
2. PVDF压电薄膜性能PVDF压电薄膜的优点在于其具有极好的压电性能，也就是说，当其受到压力时，会产生一定的电荷输出。
此外，PVDF压电薄膜还具有极高的机械强度和稳定性，能够抵御一定的气氛和温度变化，并适用于多种环境条件。
此外，当PVDF压电薄膜与电荷放电器和电流放大器相连接时，可以将PVDF的输出信号放大和处理，以输出更具意义的信息。
3. PVDF压力传感器应用PVDF压电薄膜在压力传感器中的应用越来越广泛。
利用PVDF压电薄膜的压电效应，可以制作出一款高精度的压力传感器，可以独立地感知机械压力、机械挤压等多种变化。
此外，PVDF 压电薄膜在测量生物信号、声音、震动等方面也有广泛的应用，是一种具有广泛应用前景的新型传感器材料。
总之，PVDF压电薄膜是一种非常重要的材料，有着极佳的压电性能和稳定性能，能够被广泛应用于传感器和其他电子元器件中。
PVDF+压电薄膜及其传感器的制备与性能研究
PVDF 压电薄膜及其传感器的制备 与性能研究
PREPARATION AND PERFORMANCE STUDY OF PVDF PIEZOELECTRIC FILM AND SENSOR
朱金海
哈尔滨工业大学 2011 年 6 月
国内图书分类号： TB381 国际图书分类号：
学校代码： 10213 密级：公开
工学硕士学位论文
PVDF 压电薄膜及其传感器的制备 与性能研究
硕 士 研 究 生： 朱金海 导 申 请 学 师： 关新春 教授 位： 工学硕士
学 科 、 专 业： 防灾减灾及防护工程 所 答 在 辩 单 日 位： 土木工程学院 期： 2011 年 6 月 30 日
授 予 学 位 单 位： 哈尔滨工业大学
Keywords: Polyvinylidene Fluoride (PVDF) , pizeo-film, sensor, solution cast method.
- II -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目
录
摘 要 ......................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................... II 第 1 章 绪 论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ........................................................................................................ 1 1.2 PVDF压电薄膜概述 ....................................................................................... 1 1.2.1 压电材料和压电效应 .............................................................................. 2 1.2.2 PVDF的晶体结构 .................................................................................... 3 1.3 PVDF压电薄膜的研究现状 ............................................................................ 5 1.3.1 PVDF薄膜的制备及性能研究 ................................................................. 5 1.3.2 PVDF压电薄膜的应用 ............................................................................. 6 1.4 已有的研究中存在的问题 ............................................................................. 9 1.5 论文主要工作内容 ........................................................................................ 9 第 2 章 PVDF压电薄膜的制备 ............................................................................ 10 2.1 引言 .............................................................................................................. 10 2.2 实验材料及设备 .......................................................................................... 10 2.3 PVDF薄膜的流延制备 ................................................................................. 11 2.3.1 制备过程 ............................................................................................... 11 2.3.2 制备影响因素 ....................................................................................... 12 2.4 PVDF薄膜的拉伸 ......................................................................................... 14 2.4.1 拉伸过程 ............................................................................................... 14 2.4.2 拉伸影响因素 ....................................................................................... 14 2.5 PVDF薄膜的极化 ......................................................................................... 18 2.5.1 极化原理 ............................................................................................... 18 2.5.2 热极化法步骤 ....................................................................................... 20 2.5.3 热极化法影响因素 ................................................................................ 21 2.6 PVDF薄膜的表征 ......................................................................................... 25 2.6.1 扫描电子显微镜（ SEM） .................................................................... 25 2.6.2 差示扫描量热法（ DSC） .................................................................... 27 2.6.3 广角 X-射线衍射测试（ XRD） ........................................................... 29 2.6.4 压电性能测试 ....................................................................................... 30 2.6.5 介电性能测试 ....................................................................................... 31 2.7 本章小结 ...................................................................................................... 32
PVDF压电薄膜传感器的标定技术
PVDF压电薄膜传感器的标定技术PVDF压电薄膜传感器只能测量动态压力，因此我们要确定它的动态灵敏度系数。
本实验主要测试低应力下自制传感器的动态灵敏度，因此，采用落锤冲击装置对PVDF压电薄膜传感器进行标定实验。
一、落锤装置标定PVDF传感器的实验方案（一）实验原理PVDF压电薄膜传感器灵敏度标定装置是由标准压力传感器、PVDF压电薄膜传感器、1个2.2kg重锤（Ф60×100）、1个1mL油缸、1个油缸活塞杆（Ф8×70）、1个活塞杆定位套、两台电荷放大器、一台示波器等组成。
该装置是利用重锤、活塞杆和油缸中的硅油相互作用过程中形成毫秒量级的动态压力扰动，压力波形接近半个正弦波，在记录仪器中可以获取标准压力传感器的输出信号和被标压力传感器的输出信号，经数据处理后可以得到被标压力传感器的灵敏度和非线性误差水平，实现PVDF压电薄膜传感器的标定。
PVDF压电薄膜传感器灵敏度标定装置的主要参数如下：重锤质量约为M2=2200g，此值是设计与调试中主要控制参数之一；重锤最大落高约为hmax≈1300mm；重锤最大打击速度约为umax=（2ghmax）0.5=5m/s，此值是设计与调试中主要控制参数之一；油缸中硅油质量约为M1=1.2g，此值是设计与调试中主要控制参数之一；因为本实验需要的压力不高，所以直接手动用落锤打击产生超压。
（二）实验装置实验使用的实验装置主要由标准压力传感器、PVDF压电薄膜传感器、落锤冲击装置、两台电荷放大器、一台示波器。
（1）标准压力传感器。
我们采用比较测试法对PVDF压电薄膜传感器进行标定实验，对自制传感器和标准传感器输入相同的激励信号，通过测量它们的输出信息，比较两个传感器输出的电压波形，计算出PVDF压电薄膜传感器的灵敏度，其中标准传感器的灵敏度为2.436pc/bar。
（2）落锤装置。
落锤装置是由1个2.2kg重锤（Ф60×100）、1个1mL油缸、1个1.5m长圆筒式滑轨、1个油缸活塞杆（Ф8×70）、1个活塞杆定位套组成的。
PVDF超声检测传感器的原理与应用
PVDF超声检测传感器的原理与应用作者：陈乐利谈佩芸卢婉钰段旭斌周进威来源：《商情》2017年第44期[摘要]本文介绍了聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜材料的优缺点、传感机理、制备方法及其应用。
基于有限元方法研究PVDF圆膜并分析影响其声学性能的因素，设计偏聚氟乙烯梳状传感器，探讨其在薄钢板检测超声导波的性能。
[关键词]PVDF 压电薄膜材料梳状传感器一、引言目前，国内在激光超声波检测方面大多局限于声场理论的探讨，需要新的检测技术来测量高频超声波，如阵列传感接收装置。
阵列检测不仅能同时检测多个不同位置点，而且能够产生检测对象的图像。
阵列检测技术既能提高检测质量又能减少检测时间。
PVDF是一种半结晶性聚合物，由CF2CH2长链分子构成，广泛应用于航空航天、铁路、石油化工等现代工业领域。
新型PVDF材料具有良好的力学与压电性能，适用于制作声波的接收器件，开发新型PVDF阵列的超声波接收传感器件具有下列优势：①成本比相控阵检测技术要低;②可用于测量薄膜材料的力学参数;③通过成像技术能够得到薄膜材料亚表面特征和多个力学参数。
本文对PVDF 压电薄膜材料的优缺点及传感机理等进行概述，研究PVDF圆膜及其影响因素，并设计梳状传感器，探讨其超声检测性能。
二、PVDF压电薄膜（--）PVDF压电薄膜的优缺点PVDF材料压电应变常数低，机电耦合系数较小，压电电压常数高，具有极高灵敏度;PVDF薄膜厚度极薄，可紧贴于物体表面，几乎不影响被粘物体结构;介电强度高，电场耐受力强，在强电场下仍可保持原有性能;声阻抗低，可有效防止声波信号失真;材质软，易加工，可制成大面积阵列传感器和各种不规则形状传感器;热电性强，可制成火灾报警器、防盗报警器、非接触温度计等。
此外，PVDF薄膜还具有频响宽、热稳定性好等优点。
（二）PVDF压电薄膜的传感机理PVDF压电薄膜受力形变产生极化电荷，极化电荷的大小与分布与物体形变密切相关。
在零外电场情况下，PVDF压电薄膜的输出信号是它在各方向的应变总响应，强度较弱，须经运算放大器放大后，才可进行后续处理。
pvdf压电薄膜 传感带
pvdf压电薄膜传感带
PVDF压电薄膜传感带是一种利用聚偏氟乙烯（PVDF）材料制成的压电传感器。
PVDF是一种具有压电效应的聚合物材料，它可以将机械压力转换为电信号。
PVDF压电薄膜传感带通常用于测量和检测应变、压力、力和触摸等物理量，广泛应用于医疗设备、工业自动化、电子设备和触摸屏等领域。
从材料角度来看，PVDF压电薄膜传感带具有良好的压电性能，具有高灵敏度、快速响应和稳定的特点。
它的柔韧性和薄膜结构使其适合于嵌入式传感应用，能够适应复杂的曲面和结构。
从应用角度来看，PVDF压电薄膜传感带可以用于制作触摸传感器、压力传感器、力传感器等各种类型的传感器。
在医疗设备中，它可以用于制作生理信号采集传感器，如心电图贴片、血压测量仪等。
在工业领域，它可以应用于机械手臂的力控制、触摸屏的触摸控制等方面。
在电子产品中，它可以用于制作触摸开关、触摸笔等电子产品。
总的来说，PVDF压电薄膜传感带具有广泛的应用前景，其高灵敏度、快速响应和良好的适应性使其成为各种传感器领域的重要材
料之一。
随着科学技术的不断发展，PVDF压电薄膜传感带在传感技术领域的应用将会更加广泛，为人们的生活和工作带来更多便利和可能性。
PVDF超声检测传感器的原理与应用
PVDF超声检测传感器的原理与应用目前，国内在激光超声波检测方面大多局限于声场理论的探讨，需要新的检测技术来测量高频超声波，如阵列传感接收装置。
阵列检测不仅能同时检测多个不同位置点，而且能够产生检测对象的图像。
阵列检测技术既能提高检测质量又能减少检测时间。
PVDF是一种半结晶性聚合物，由CF2CH2长链分子构成，广泛应用于航空航天、铁路、石油化工等现代工业领域。
新型PVDF材料具有良好的力学与压电性能，适用于制作声波的接收器件，开发新型PVDF阵列的超声波接收传感器件具有下列优势：①成本比相控阵检测技术要低；②可用于测量薄膜材料的力学参数；③通过成像技术能够得到薄膜材料亚表面特征和多个力学参数。
本文对PVDF压电薄膜材料的优缺点及传感机理等进行概述，研究PVDF圆膜及其影响因素，并设计梳状传感器，探讨其超声检测性能。
二、PVDF压电薄膜（--）PVDF压电薄膜的优缺点PVDF材料压电应变常数低，机电耦合系数较小，压电电压常数高，具有极高灵敏度；PVDF薄膜厚度极薄，可紧贴于物体表面，几乎不影响被粘物体结构；介电强度高，电场耐受力强，在强电场下仍可保持原有性能；声阻抗低，可有效防止声波信号失真；材质软，易加工，可制成大面积阵列传感器和各种不规则形状传感器；热电性强，可制成火灾报警器、防盗报警器、非接触温度计等。
此外，PVDF薄膜还具有频响宽、热稳定性好等优点。
（二）PVDF压电薄膜的传感机理PVDF压电薄膜受力形变产生极化电荷，极化电荷的大小与分布与物体形变密切相关。
在零外电场情况下，PVDF压电薄膜的输出信号是它在各方向的应变总响应，强度较弱，须经运算放大器放大后，才可进行后续处理。
（三）PVDF压电薄膜的制备方法PVDF压电薄膜制备方法有有流延法、匀胶法、小分子蒸发镀膜法和压膜法等。
其中流延法对设备要求较低，成品致密性好，强度高，因此成为最常见的制备方法。
将PVDF溶于定量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，经过滤、真空除气泡、升温蒸发等操作，除去NMP，在流延皿上形成一层薄膜，即为原始的PVDF薄膜。
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 .2006PV 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。
PVDF压电薄膜传感器研究
研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。
尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。
特此申明。
签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。
签名：日期：导师签名：日期：摘要曲面材料和脆性材料表面或冲击界面上的压力测量是爆炸冲击领域是一个难点。
传统的传感器需要镶嵌在物体或材料的内部才能进行测量，这样对物体或材料的完整性造成了破坏，甚至会影响材料的性能。
因此，研制性能良好的传感器在冲击波压力测试领域尤为重要。
聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，简称PVDF）压电薄膜是一种新型的高分子聚合物压电材料，因其具有重量轻、厚度薄、灵敏度高、机械强度高、频率响应范围宽等优势，在压力传感器应用领域得到了广泛的应用。
本文以PVDF压电薄膜为敏感元件，完成了对PVDF压电薄膜的压电特性、传感机理分析，以及实验室制作PVDF传感器的工艺流程，依次利用激波管装置和落锤装置完成了对PVDF传感器的动态性测试和动态标定试验。
在国内，对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、厚度、使用的绝缘粘胶、封装材料各异，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。
本文利用激波管装置作为激励源，对PVDF传感器的形状、厚度、使用的绝缘粘胶、封装材料做了动态测试对比试验，从而确定了较为优化的PVDF传感器制作材料。
基于PVDF压电薄膜的仿生触觉检测系统研究
器灵敏度高，固 有频 率 高，信噪 比强，动态 响 应宽，国 凸点层仿生人类皮 肤 乳 突 线 层，下 凸 点 层 仿 生 人 类
内外应用广泛。聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）是一种高分子压 皮肤中脊线层，单敏感元仿生迈斯纳小体结构，系统
通过传感器对比测试实验验证了双凸点拱形触觉传感器滑觉信号灵敏系数最佳传感器上凸点层仿生人类皮肤乳突线层下凸点层仿生人类皮肤中脊线层单敏感元仿生迈斯纳小体结构系统对传感器的采集信号进行放大滤波傅里叶变换等处理分析通过信号幅值的均值大小判定检测触觉信号信号幅值方差判定检测滑觉信号并由信号的幅频值来设定频率阈值幅度阈值判断热觉信号实现触觉传感器的仿生皮肤功能
关键词：灵敏度；聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）压电薄膜；仿生学；双凸点拱形结构；信号调 理 电 路；ＬａｂＶＩＥＷ 软 件；触 滑 热觉信号
中 图 分 类 号 ：ＴＭ２８２；ＴＰ２１２．３；ＴＰ２１６ 文 献 标 识 码 ：Ａ 犇犗犐：１０．１１９７７／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４２４７４．２０１９．０３．０２０
０ 引 言
触觉是人类感知外界环境的一种重要知觉。目 前将以人类触觉为机理的触觉传感器应用在仿生皮 肤 领 域 ，使 智 能 机 械 具 备 人 的 感 知 能 力 ，可 对 机 械 、温 度 、光 学 及 生 物 刺 激 做 出 快 速 判 断 反 应［１］。 灵 敏 度 是 检 验 触 觉 传 感 器 性 能 的 主 要 指 标［２］，当 前 压 电 式 传 感
量 小 ，动 态 响 应 宽 等 优 点 ，同 时 具 备 热 点 性［３］，其 被 广 泛应用在新型压电触觉传感器领域。
本文 依据 ＰＶＤＦ 压电 薄膜压 电效应基 本原 理， 仿生人体生理皮肤 结 构 层，设 计 了 双 凸 点 拱 形 触 觉 传感器。通过传感 器 对 比 测 试 实 验，验 证 了 双 凸 点 拱形触觉传感器滑 觉 信 号 灵 敏 系 数 最 佳，传 感 器 上
基于压电薄膜材料pvdf的能量采集结构研究
基于压电薄膜材料pvdf的能量采集结构研究
基于压电薄膜材料PVDF的能量采集结构研究是利用PVDF
材料的压电效应来收集和转换环境中的机械能为电能的研究。
PVDF是一种高分子压电材料，具有优异的力致电效应和压致电效应。
在PVDF材料受到外力作用时，会产生电荷分离，从而产生电势差，进而转化为电能。
因此，利用PVDF制作能量采集结构可以将环境中的机械能转化为电能，实现能量的收集和利用。
在PVDF能量采集结构的研究中，常见的结构形式包括压电发电装置和压电传感器。
压电发电装置通常采用将PVDF薄膜制作成片状结构，并与机械振动装置连接。
当机械振动装置发生振动时，PVDF薄膜会受到力的作用，从而产生电荷分离和电势差。
通过导线将电能输出，可以用于供电或储存。
压电传感器则是利用PVDF材料的压电效应来感知环境中的力或压力变化。
通常采用将PVDF薄膜制作成传感器结构，并与待测物体接触。
当物体受到压力或力的作用时，PVDF薄膜会产生电荷分离和电势差。
通过测量电势差的变化，可以获取到力或压力的大小。
此外，在PVDF能量采集结构的研究中还需要考虑材料的选择、结构的设计优化等方面。
例如，可以通过选择合适的PVDF材料类型、薄膜厚度和结构形式，优化能量采集效果。
同时，还需要考虑能量转换效率和稳定性等问题，以提高能量采集结构的性能。
综上所述，基于压电薄膜材料PVDF的能量采集结构研究可以实现将机械能转化为电能的目标，并对能源收集与利用具有很大的潜力和应用前景。
PVDF传感器动态压电特性的试验研究
时， 其灵敏度也较 低， 随 着 应 变 频 率 的 提 高， 其灵敏 度也快速增 加。 应 变 频 率 达 到 # $ ,&’ 以 后， 灵敏度 基本上变为一个常数。 由图 ( 可以看到， 相位差随频率的增加而减小， 基本上， 频 率 超 过 # $ ,&’ 后， 相 位 差 小 于 %- $ .*。 综 合图 0 、 图 ( 的 结 果 可 以 认 为， 就 此 试 验 条 件 下， 对 简谐形振 动 而 言， 应 变 频 率 超 过 # $ ,&’ 后， 可以用 1234 压电薄膜传感器测量结构的应变。 实际上， 由式 （%） 可以看出， 1234 输出电荷与其 自身应变是线性 关 系， 因 而， 1234 的 输 出 电 荷 与 应 变之间应该是不存在相位差的。图 ( 的相位差主要 是由电荷放大器的输入电荷与其输出电压之间在低 频率范围内有相位差引起的。当输入电荷的频率范 围大于 -&’ 时， 电荷 放 大 器 的 输 入 电 荷 与 其 输 出 电 压之 间 的 相 位 差 接 近 #*， 而 1234 的 电 荷 与 其 应 变 之间相位 差 为 #*， 故 电 荷 放 大 器 输 出 电 压 与 1234 的应变之间相位 差 接 近 #*。 因 此， 采用低频特性好 的电荷放大器， 可 以 降 低 相 位 差 为 #* 时 对 应 的 最 小 输入频率值。 就相位特性的影响而言， 对简谐形振动， 较小的 ,.
C V P.2=： Q./0=234/0 W 4P.2=M R ?J7A R 4F7 R ;/
PVDF压电薄膜的应用
PVDF压电膜的应用PVDF压电膜的应用相当广泛。
目前，从医学上使用的精密微细敏感元件到工业上用的各种传感器。
从军事上应用的声纳到民用的空调器、防盗报警系统等领域，PVDF压电膜都显示出了其优异的性能。
它可以用于制作超声波探头式诊断仪、血压计、指脉膊传感器及心率计；超声波传感器、压力传感器、机器人的触觉传感器、加速度传感器、称重传感器；水声探测器、声纳器件；扬声器、抗噪声送话器，高保真立体声耳机、空调器；应力、应变计、流量计、用于特殊场合下的触摸开关等。
此外PVDF压电膜除了具有较高的压电性外，还显示出热释电性，是一种很好的热电材料，它可以把热能转变为电能。
可用于防盗、保安报警器、热释电红外传感器、火灾探知器、光反向传感器、红外线扫描器。
辐射仪、接近传感器等各种测控仪器中，至今为止，上述所叙的许多元器件已经在众多领域开始研制，有些已经进入实际应用阶段，现将有关情况简要说明一下：电声换能器类由于PVDF压电膜具有相当宽的频率领域，从甚低频到千兆赫的工作频率。
利用这一性能，可制成宽频带扬声器，这种扬声器可在甚低音、甚高音范围内不失真，而且可以消除机械噪声。
良好的声音效果，其应用必将给我国的电声产业带来一场大的变革，电声产品跨上一个新的台阶。
还可制成微声器、传声器、高保真立体声耳机。
特别是抗噪声送话器，样品经过几次改进，已经进入开发生产阶段。
这种送话器用在电话中，除了通话能被清晰地送出外，其它噪声均被滤掉；用在电视台、电台及记者现场采访、现场录音场合，能排除噪声干扰，声音清晰，达到较理想的录音采访效果。
水声换能器类PVDF压电膜具有较高的压电系数，优良的阻抗匹配。
低的声阻抗可保证超声波无损传播，又易于加工成大面积，这些特点用于制造各种类型的水听器。
将这种水听器用于鱼轮对鱼群的监测，正在待开发之中，此项研究成果也有很大的市场潜力。
超声换能器类用PVDF压电膜制成超声传感器，应用在5、7.5、10MHz B超诊断仪的环状及线阵式探头和20～80MHz工业超声检测仪探头上，与通常使用的PZT(压电陶瓷)探头相比在灵敏度和精度上都有较大幅度的提高。
压电薄膜传感器及其在心脏监测中的应用
压电薄膜传感器及其在心脏监测中的应用压电薄膜传感器及其在心脏监测中的应用一、引言心脏疾病是造成病残和死亡的常见疾病，在发达国家中，心血管系统疾病已成为最为常见的疾病和致死的重要原因，而随着我国人口老龄化，心血管疾病的比例也一年比一年高。
心血管诊断除了临床外，主要依靠医疗器械。
心电和心音是检测心血管疾病的两种不同的手段，心电主要应用于心率失常及心肌缺血的定性与定量分析诊断，心血管药物的疗效评价。
心音图能够有效的弥补心脏听诊的不足，将心脏听诊不能记录的心音信号或不容易分辨的信号用图形的形式记录下来，供医生分析使用[1]。
心音图结合心电图，能够大大提高心血管疾病的鉴别和诊断水平，对于了解心血管功能，选择治疗，判断病理以及研究某些疾病的机理都提供了很有价值的资料，应用日益广泛。
对人体微弱生理信号的有效采集和处理一直是医疗器械领域的研究热点。
目前有多种用于人体微弱信号采集的传感器，如压电陶瓷传感器、多普勒效应传感器等，但在结构和成本上都存在一定的问题。
目前有一种采用新型高分子压电材料聚偏氟乙烯研制的压电传感器，其结构简单，灵敏度高，能准确测量微弱的人体信号。
我们将其应用于对人体心音信号的采集，研制了两通道的综合微型记录仪，分别动态记录心音信号和心电信号。
实验表明，该薄膜传感器与整机之间结构、性能匹配，该心音心电监测系统能够比较准确地监测分析人体心音心电信号，为系统以后的产品化奠定了基础。
二、压电薄膜传感器的设计PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电材料，在医用传感器中应用很普遍[2，3]。
它既具有压电性又有薄膜柔软的机械性能，用它制作压力传感器，具有设计精巧、使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全舒适，能紧贴体壁，以及声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点[4]，可用于脉搏心音等人体信号的检测。
脉搏心音信号携带有人体重要的生理参数信息，通过对该信号的有效处理，可准确得到波形、心率次数等可为医生提供可靠的诊断依据。
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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 .2006PV 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。
第1期杜彦良等:P VDF压电薄膜结构监测传感器应用研究3 图4 应变监测系统框图基于P VDF 的应变监测系统可用于对结构的应变、裂缝等各种局部响应的实时监测。
首先,布置在结构表面上的P VDF 传感器将结构的局部响应转换成电荷信号输出,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A /D 卡转换成计算机可处理的数字信号,采用Matlab 语言程序进行信号处理和分析。
经过计算机处理与分析后的数字信号可进行存储,并通过示波器可实时显示。
4 应用一些在役的结构或构件,由于各种原因(如焊接缺陷、裂纹等)可能存在不同程度的损伤或缺陷,当承受交变荷载时,即使荷载水平远低于材料本身的强度极限,裂纹可能会萌生并扩展,从而导致结构或构件的抗力降低带来安全隐患。
因此,监测结构的裂纹状况可以为结构的安全评定与损伤定位提供直接的信息,的重要措施之一。
基于P VDF 压电薄膜进行面检测灵敏度高、响应快等优点,利用应变监测系统对试件的裂纹萌生至断裂全过程进行监测,得到试件应力集中部位的裂纹萌生和扩展时的电压信号特性,根据得到的信号曲线,研究试件裂纹萌生瞬间和其断裂过程。
4.1 基于PV D F 的裂纹监测实验图5 裂纹监测实验系统(单位:mm )为便于控制实验过程,采用尺寸为30mm ×200mm ×0.2mm 的铜箔作为拉伸试件材料,试样上具有一定尖锐度的机械切口,以便在低的拉伸荷载下、在较短时间引发足够尖锐的裂纹。
P VDF 压电薄膜(尺寸为10mm ×20mm ×0.17mm )沿试件表面的中轴线粘贴,离预留缺口2～5mm 。
布置方式如图5(a )所示。
本实验利用砝码对试件施加竖向拉伸荷载,测定试件纵向拉伸应变所产生的P VDF 压电薄膜的电荷输出。
利用上述所建立的应变监测系统对P VDF 压电薄膜的信号进行采集,采样频率为2000Hz,通过示波器显示,从而及时了解裂纹的萌生、扩展直至断裂全过程。
测试系统如图5(b )所示。
4.2 实验结果图6 PV D F 裂纹监测全过程图6为试件开裂全过程的P VDF 输出电压信号的时程曲线。
从图6中可以看出,输出分三个阶段:第一阶段,P VDF 压电薄膜的监测范围内未产生裂纹,随着施加载荷,因受到垂直于裂纹方向的拉应力作用,切口前方的应力场发生了变化,因此贴于此处的P VDF 输出电压也发生相应变化;第二阶段,随着载荷增加,裂纹慢慢随着切口方向发展,当抵达P VDF 粘贴位置时,输出电压出现明显脉冲信号;第三阶段,裂纹经过了监测范围,随着裂纹的进一步扩展,应变幅值几乎减小到零,输出电压信号也随之减小。
当试件彻底断裂,P VDF 的拉伸状态解除,出现回缩过程,如果此时P VDF 压电薄膜及连 石 家 庄 铁 道 学 院 学 报第19卷4接导线完好无损,它的输出将出现反方向信号,然后慢慢变为零。
可见,利用P VDF压电薄膜监测裂纹萌生与扩展过程,就是当结构或构件受到外力作用产生变形或断裂时,研究P VDF的输出电压与裂纹萌生和扩展间的关系。
通过记录分析P VDF电信号的瞬态波形,可以很好地掌握P VDF压电薄膜的输出特征及结构的裂纹状况,对结构安全评定与损伤定位提供可靠信息,从而实现结构健康监测的目的。
5 结语智能材料结构系统在结构健康监测的应用研究很受重视,高性能传感元件的研究与开发至关重要,这将推动结构的智能监测与诊断系统的研究和应用,从而使土木工程结构的长期健康监测与安全评定成为可能。
P VDF传感元件在结构应用领域还处于探索阶段,没有建立成熟的结构健康监测系统,因此,利用性能优越的P VDF研发先进的智能传感、监测系统很有意义。
参 考 文 献[1]李焰,钟方平,刘乾,等.P VDF在动态应变测量中的应用[J].爆炸与冲击,2003,23(3):230～234[2]张福学,王丽坤.现代压电学(上)[M].北京:科学出版社,2001[3]Joseph Callahan,Hai m Baruh.Active contr ol of flexible structures using seg mented p iezoelectric actuat ors[A].Pr oceedings ofSP I E-The internati onal Society for Op tical Engineering[C].Bellingha m:WA,US A,1995.630～643[4]王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社,1988Research on the Theory of Stra i n Sensi n g Usi n g PV DF Fil mand its Stra i n M on itor i n g Syste mD u Yan li a ng, Song Y i n g, Sun Baochen(Structure Health Monit oring and Contr ol I nstitute,Shijiazhuang Rail w ay I nstitute,Shijiazhuang,Hebei,050043,China) Abstract:A t p resent,p iez oelectricity material is one of the most widely used sensing materials in the re2 search of s mart material syste m s.A s one of the p iez oelectricity materials,P VDF fil m has received extensive at2 tenti on f or its p r operty advantages of l ow cost,good mechanical ability,high sensibility and s o on.I n this paper, research is done t o study the strain sensing p r operties of P VDF fil m as the strain sens or,and P VDF strain moni2 t oring syste m is devel oped based on the hardware and s oft w are of signal collecting.Finally,experi m ent on P VDF fil m is carried out t o monit or structure cracks.This paper has realized strain and cracks monit oring by using P VDF fil m,which is funda mental work f or its further app licati on in engineering.Key words:P VDF(Polyvinylidene Fluoride)fil m;Strain sensing;Crack monit oring(责任编辑 刘宪福)。