PVDF压力传感器的动态灵敏度校准

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(0～240MPa),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:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2003)10-0039-03

C alibration of dynamic sensitivity of PV DF pressure transducer

ZEN G2Hui,YU Shang2jiang,YAN G Ji2xiang,DIN G Shi2jing

(The Third Science and T echnology I nstitute of E ngineering Corps,G eneral Staff,PLA,Luoyang471023,China)

Abstract:The dynamic sensitivity of polyvinylidene fluoride(PVDF)pressure transducer is calibrated by Split2 Hopkinson pressure bar(SHPB).The calibration curve equation and linearity of transducer are given.The cali2 bration results show that SHPB is a suitable device for dynamic sensitivity calibration of PVDF pressure transducer,and the sensitivity of PVDF pressure transducer decreases with the increase of pressure applied to it in the scope of0～240MPa with linearity of±3.0%FS.

K ey w ords:polyvinylidene fluoride(PVDF);pressure transducer;Split2Hopkinson pressure bar(SHPB); dynamic calibration;sensitivity;linearity

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0.05～0.16ms,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Φ100mm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:2003-05-2493

　2003年第22卷第10期 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 ・εt (t ),

(1)

式中　F/F 0为压杆的横截面积(F )与其面积内所粘贴6片PVDF 面积之和(F 0)的比值,实测F/F 0=2.69～2.81;E 为杆材料(48CrMoA )的杨氏模量

E =2.06×105MPa ;εt (t )为透射波的应变,实测

结果表明,反射波近似为零,输入杆和输出杆中的应变值相差甚微,成偶然误差分布,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40～240MPa 范围内从小到大共放10～16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2～4

所示。

图2　应变计记录的入射波波形

Fig 2　Incident w 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 gauge

4 传感器技术 第22卷