含金属芯压电纤维的传感特性研究
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第 ３ 卷第 １ Ｏ 期
２１ ０ ０年 ２月
振 动 、 试 与 诊 断 测
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ａｉｎ， ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ Ｄｉｇ ｏ ｉ ｏ ｒ ａ ｆＶｉｒ ｔ ｏ Ｍ ａ ｕｅ ｎ ＆ ａ ｎ ｓｓ
Ｖ ｏ ．３ ｏ． １ ０Ｎ １ Ｆｅ ｂ． ２ ０ ０１
含 金属 芯压 电纤 维 的传 感 特 性研 究 ‘
能。
关 键 词 压 电陶 瓷 中 图分 类 号
纤维
应变
传感器
金 属 芯
０７８ Ｔ ２ ２ ３ Ｍ ８
引 言
在功 能材 料 中， 电材料 由于 同时 具有 传 感 和 压 驱动 性能而 获 到了广泛 的研究 和应 用－ 。为 了满 足 １ ］ 不 同需要 ， 状 复 杂 的压 电器件 ， 压 电 陶瓷 纤 维 、 形 如 薄 膜 和 薄 壳 等 都 在 研 究 中Ｌ 。裘 进 浩 等 采 用 挤 压 ２ ］
力 分 布 。 目前 ， ＭＰ 对 Ｆ的传感 特性 主要采用 试验 方法 进
图 ｌ ＭＰ Ｆ的几 何 形 状 及 圆柱 坐 标 系
＋
国家 “ 六 三 ” 八 高技 术 计 划 基 金 资 助项 目（ 号 ：０ ７ Ａ０Ｚ ０ ） 编 ２ ０ Ａ ３ １ ４ 收稿 日期 ：０ ８０— １修 改 稿 收 到 日期 ：０ ８１—０ ２ ０—９０ ； ２ ０ —１１
出悬 臂 杆 结 构 含 金 属 芯 压 电纤 维 受 轴 向力 和轴 向 应 变 后 产 生 电 荷 的 解 析 表 达 式 ； 别 计 算 了不 同半 径 比 、 钨 芯 分 含 和 铂 金 芯 的 压 电纤 维 受 到 固 定 轴 向 力 和 固 定 轴 向 应 变 时 产 生 的 电荷 值 ， 析 了 金 属 芯 性 能 和 半 径 比对 产 生 电荷 的 分
ｚ， ２对 应 ， ３对 应 ｒ 。
制 备 了含 金 属 芯压 电纤 维 （ ｔｌ ｏ ｅｐｅｏ ｌ ｔｉ ｍｅａ ｃ ｒ ｉ ｅｅ ｒ ｚ ｃ ｃ ｆ ｅ， ｉ ｒ 简称 ＭＰ ） 在 ＭＰ ｂ Ｆ。 Ｆ中 ， 金属芯 位于纤 维 的 中 心位 置 ， 围是 圆柱形状 的压 电陶瓷 。 周 金属 芯可 以用 作 一个 电极 ， 镀在 纤维 表 面 的金 属层 可 以用 作 另 喷
影 响 。 验 比较 了不 同长 度 和 半 径 的 压 电纤 维 的 准静 态 和动 态 应 变传 感 性 能 ， 试 了 等强 度 梁 的 固有 振 动 频 率 。 试 测 试
验 结 果 表 明 ， 传 感 器 具有 较高 的准 静 态 和 动 态 应 变 传 感 灵 敏 度 ， 高达 ０ １３ Ｃ ／ ； 有 较 好 的 冲击 振 动 传 感 性 该 最 ． ６ ｎ ／ ￣具 ￣
测试 了等 强度梁 的 弯曲共 振频 Ｆ的几 何形 状 如 图 １所示 ， 金属 芯 位于 正 中 位 置 ， 径 为 Ｒ ， 围 的陶瓷 内部半 径 和金 属 芯相 半 外 同， 外部 半径 为Ｒ ， Ｆ的长度为 。 ＭＰ 由于ＭＰ Ｆ是 圆 柱 形状 ， 了研 究 方便 ， 用 圆柱坐标 系 。压 电方程 为 采 的直 角 坐标 系和 圆柱 坐标 系 的对 应 关 系 为 ： 对 应 １
Ｈｉ ｓ ｉ ａｏ等研究 了ＭＰ ｒ ｈＳｔ ｏ Ｆ的机械性 能 。 ｙ ｓ ｉ ］ Ｋｉｏ ｈ
Ｔ ｋ ｇ 等制 作 了埋人 ＭＰ ａ ａｉ Ｆ的智能碳 纤 维 复合 材料 板进 行 振动控 制试验 研究［ ， ７ 并研究 了埋 入 ＭＰ ］ Ｆ的
智 能 复 合 材 料 梁 的损 伤 监测 － 。Ｄ ｖ ｏ ｋ ｒ 等 ８ ａ ｏ ｄＡｓ ａｉ ］ 用微 机 电方法 研究 了ＭＰ Ｆ的杨 氏模量 、 泊松 比和应
法［ Ｈｉ ｓ ｉ ａｏ等采 用水 热 法 和 挤 压法 Ｌ ， 后 引， ｒ ｈ ｔ ｏ Ｓ ４先 ］
行 定 性 研 究 ， 没 有 建 立 起 理 论 模 型 。本 文基 于 还 ＭＰ Ｆ的本 构方 程 ， 立 了 ＭＰ 建 Ｆ的传 感理论 模 型 ， 研
究 了金属 芯和半 径 比对传感 性能 的影 响 。试验 验证 了 ＭＰ Ｆ的 准静 态 和 动态 应 变传感 性 能 ， 并用 ＭＰ Ｆ
第１ 期
边 义 样 ， ： 金 属 芯压 电纤 维 的传 感 特 性 研 究 等 含
表面金属层 极 化 区域
ＭＰ Ｆ的横 截 面 如 图 ２所 示 ， 陶瓷 表面 覆 盖 着 在
一
层 很 薄 的金属 ， 其作 为 一个 电极 ， 将 金属 芯作 为 另 个 电极 。 加 电压 时 ， 外 陶瓷 内部 的 电场分 布 比较 复
边 义 祥 ， 裘 进 浩 ， 王 鑫伟 ， 季 宏 丽 ， 朱 孔 军
（ 京 航 空 航 天 大 学 智 能 材 料 与 结 构 研 究所 南 南 京 ，１０ ６ ２０１）
摘要
基 于设 计 和工 程 实 用 性 的 需 要 ， 立 了含 金 属 芯 压 电纤 维 压 电 传 感 器 的 理 论 模 型 。根 据 本构 关 系 方 程 ， 导 建 推
一
杂 ， 了研 究 方 便 ， 以认 为其 电场 沿 径 向 分 布 ， 为 可 其
极化 方 向也认 为 是径 向分 布 。 在 以前 的研 究 中得 到 了悬 臂 杆结 构 ＭＰ Ｆ的本 构关 系方 程ｎ 。 。
图 ２ Ｍ Ｐ 的 横 截 面 Ｆ
一
个 电极 ， 这样 单根 ＭＰ Ｆ就可 以用作 传感 器或 驱动
由于体积微 小 ， Ｆ可 以埋 人到 复合材 料 中用 ＭＰ
器。
作传 感器 或驱 动器 。因此 ， Ｆ研 制 成功后 受 到 了 ＭＰ 很 多人 的关注 。Ｇａｌ ｅ ａｄ等研究 了 ＭＰ ｅ Ｓ ｂｌ Ｆ的纵 向 振 动模 型＿ ， ２ 并研 究 了径 向应 力 和金属 芯 的影 响Ｌ 。 ］ ５ ］
２１ ０ ０年 ２月
振 动 、 试 与 诊 断 测
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ａｉｎ， ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ Ｄｉｇ ｏ ｉ ｏ ｒ ａ ｆＶｉｒ ｔ ｏ Ｍ ａ ｕｅ ｎ ＆ ａ ｎ ｓｓ
Ｖ ｏ ．３ ｏ． １ ０Ｎ １ Ｆｅ ｂ． ２ ０ ０１
含 金属 芯压 电纤 维 的传 感 特 性研 究 ‘
能。
关 键 词 压 电陶 瓷 中 图分 类 号
纤维
应变
传感器
金 属 芯
０７８ Ｔ ２ ２ ３ Ｍ ８
引 言
在功 能材 料 中， 电材料 由于 同时 具有 传 感 和 压 驱动 性能而 获 到了广泛 的研究 和应 用－ 。为 了满 足 １ ］ 不 同需要 ， 状 复 杂 的压 电器件 ， 压 电 陶瓷 纤 维 、 形 如 薄 膜 和 薄 壳 等 都 在 研 究 中Ｌ 。裘 进 浩 等 采 用 挤 压 ２ ］
力 分 布 。 目前 ， ＭＰ 对 Ｆ的传感 特性 主要采用 试验 方法 进
图 ｌ ＭＰ Ｆ的几 何 形 状 及 圆柱 坐 标 系
＋
国家 “ 六 三 ” 八 高技 术 计 划 基 金 资 助项 目（ 号 ：０ ７ Ａ０Ｚ ０ ） 编 ２ ０ Ａ ３ １ ４ 收稿 日期 ：０ ８０— １修 改 稿 收 到 日期 ：０ ８１—０ ２ ０—９０ ； ２ ０ —１１
出悬 臂 杆 结 构 含 金 属 芯 压 电纤 维 受 轴 向力 和轴 向 应 变 后 产 生 电 荷 的 解 析 表 达 式 ； 别 计 算 了不 同半 径 比 、 钨 芯 分 含 和 铂 金 芯 的 压 电纤 维 受 到 固 定 轴 向 力 和 固 定 轴 向 应 变 时 产 生 的 电荷 值 ， 析 了 金 属 芯 性 能 和 半 径 比对 产 生 电荷 的 分
ｚ， ２对 应 ， ３对 应 ｒ 。
制 备 了含 金 属 芯压 电纤 维 （ ｔｌ ｏ ｅｐｅｏ ｌ ｔｉ ｍｅａ ｃ ｒ ｉ ｅｅ ｒ ｚ ｃ ｃ ｆ ｅ， ｉ ｒ 简称 ＭＰ ） 在 ＭＰ ｂ Ｆ。 Ｆ中 ， 金属芯 位于纤 维 的 中 心位 置 ， 围是 圆柱形状 的压 电陶瓷 。 周 金属 芯可 以用 作 一个 电极 ， 镀在 纤维 表 面 的金 属层 可 以用 作 另 喷
影 响 。 验 比较 了不 同长 度 和 半 径 的 压 电纤 维 的 准静 态 和动 态 应 变传 感 性 能 ， 试 了 等强 度 梁 的 固有 振 动 频 率 。 试 测 试
验 结 果 表 明 ， 传 感 器 具有 较高 的准 静 态 和 动 态 应 变 传 感 灵 敏 度 ， 高达 ０ １３ Ｃ ／ ； 有 较 好 的 冲击 振 动 传 感 性 该 最 ． ６ ｎ ／ ￣具 ￣
测试 了等 强度梁 的 弯曲共 振频 Ｆ的几 何形 状 如 图 １所示 ， 金属 芯 位于 正 中 位 置 ， 径 为 Ｒ ， 围 的陶瓷 内部半 径 和金 属 芯相 半 外 同， 外部 半径 为Ｒ ， Ｆ的长度为 。 ＭＰ 由于ＭＰ Ｆ是 圆 柱 形状 ， 了研 究 方便 ， 用 圆柱坐标 系 。压 电方程 为 采 的直 角 坐标 系和 圆柱 坐标 系 的对 应 关 系 为 ： 对 应 １
Ｈｉ ｓ ｉ ａｏ等研究 了ＭＰ ｒ ｈＳｔ ｏ Ｆ的机械性 能 。 ｙ ｓ ｉ ］ Ｋｉｏ ｈ
Ｔ ｋ ｇ 等制 作 了埋人 ＭＰ ａ ａｉ Ｆ的智能碳 纤 维 复合 材料 板进 行 振动控 制试验 研究［ ， ７ 并研究 了埋 入 ＭＰ ］ Ｆ的
智 能 复 合 材 料 梁 的损 伤 监测 － 。Ｄ ｖ ｏ ｋ ｒ 等 ８ ａ ｏ ｄＡｓ ａｉ ］ 用微 机 电方法 研究 了ＭＰ Ｆ的杨 氏模量 、 泊松 比和应
法［ Ｈｉ ｓ ｉ ａｏ等采 用水 热 法 和 挤 压法 Ｌ ， 后 引， ｒ ｈ ｔ ｏ Ｓ ４先 ］
行 定 性 研 究 ， 没 有 建 立 起 理 论 模 型 。本 文基 于 还 ＭＰ Ｆ的本 构方 程 ， 立 了 ＭＰ 建 Ｆ的传 感理论 模 型 ， 研
究 了金属 芯和半 径 比对传感 性能 的影 响 。试验 验证 了 ＭＰ Ｆ的 准静 态 和 动态 应 变传感 性 能 ， 并用 ＭＰ Ｆ
第１ 期
边 义 样 ， ： 金 属 芯压 电纤 维 的传 感 特 性 研 究 等 含
表面金属层 极 化 区域
ＭＰ Ｆ的横 截 面 如 图 ２所 示 ， 陶瓷 表面 覆 盖 着 在
一
层 很 薄 的金属 ， 其作 为 一个 电极 ， 将 金属 芯作 为 另 个 电极 。 加 电压 时 ， 外 陶瓷 内部 的 电场分 布 比较 复
边 义 祥 ， 裘 进 浩 ， 王 鑫伟 ， 季 宏 丽 ， 朱 孔 军
（ 京 航 空 航 天 大 学 智 能 材 料 与 结 构 研 究所 南 南 京 ，１０ ６ ２０１）
摘要
基 于设 计 和工 程 实 用 性 的 需 要 ， 立 了含 金 属 芯 压 电纤 维 压 电 传 感 器 的 理 论 模 型 。根 据 本构 关 系 方 程 ， 导 建 推
一
杂 ， 了研 究 方 便 ， 以认 为其 电场 沿 径 向 分 布 ， 为 可 其
极化 方 向也认 为 是径 向分 布 。 在 以前 的研 究 中得 到 了悬 臂 杆结 构 ＭＰ Ｆ的本 构关 系方 程ｎ 。 。
图 ２ Ｍ Ｐ 的 横 截 面 Ｆ
一
个 电极 ， 这样 单根 ＭＰ Ｆ就可 以用作 传感 器或 驱动
由于体积微 小 ， Ｆ可 以埋 人到 复合材 料 中用 ＭＰ
器。
作传 感器 或驱 动器 。因此 ， Ｆ研 制 成功后 受 到 了 ＭＰ 很 多人 的关注 。Ｇａｌ ｅ ａｄ等研究 了 ＭＰ ｅ Ｓ ｂｌ Ｆ的纵 向 振 动模 型＿ ， ２ 并研 究 了径 向应 力 和金属 芯 的影 响Ｌ 。 ］ ５ ］