铁电驻极体同轴线缆传感器力电性能分析

目的铁电驻极体同轴线缆传感器(FCS)为同轴结构,从内到外依次为芯电极、铁电驻极体层、屏蔽及接地电极层以及外护套,具有柔性、灵敏度高、自屏蔽特性,制备成本低,已被广泛应用于康复治疗、运动健康监测、生物信息监测等生物医学工程领域。目前,针对FCS的理论研究十分匮乏,制约了FCS的优化设计。方法考虑直接测量FCS中屏蔽及接地电极和外护套的径向模量非常困难,基于压电方程建立了FCS在准静态径向压缩模式下的压电响应模型,结合实验测量结果,给出了上述两层材料径向模量的确定方法,并利用试验验证了理论模型和材料参数的准确性。考虑FCS的逆压电效应,建立了FCS在径向振动时的等效电路模型,获得了FCS的等效电路图,并通过了试验验证。进一步,根据等效电路图推导了FCS的谐振频率方程与反谐振频率求解方程,探究了几何尺寸对FCS的谐振频率、反谐振频率和有效机电耦合系数keff的影响。结果屏蔽及接地电极和护套层的等效模量分别为40、35 MPa.并且,增加FCS结构尺寸会减小径向振动的谐振和反谐振频率。伴随芯电极半径的增大,keff系数在逐渐增大,而铁电驻极体层、屏蔽及接地电极、外护套厚度的增加会降低keff系数。结论建立了FCS在小压力范围的准静态和动态理论模型。