基于PVDF复合压电效应的低强度冲击波柔性测量

为探索低强度冲击波的柔性测量技术,对PVDF(polyvinylidene fluoride)压力传感器开展冲击波加载和灵敏度标定实验,评估其低强度冲击波压力测量的可靠性。基于微结构设计改进薄膜传感器,获得适用于低强度冲击波压力测量的高灵敏柔性传感器,结果表明:单一压电工作模式的薄膜传感器测量低强度冲击波时有效输出电荷量和信噪比较低,测量结果容易受压电膜力电响应非线性、结构表面变形振动以及封装因素的影响,灵敏度系数不稳定、个体差异性大。采用周向固支的微结构设计能够将作用于薄膜传感器表面幅值较低的冲击波转换为幅值较高的面内拉应力,产生的复合压电效应可大幅提高传感器名义灵敏度系数、降低个体差异性。研制的柔性传感器在0.2~0.7 MPa压力范围内名义灵敏度约900~1350 pC/N,相对测量误差不大于±13%。

封装因素对PVDF压力计测量性能的影响

采用覆铜聚酰亚胺膜和聚合物导电带封装制备了两种聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)薄膜压力计柔性覆铜聚酰亚胺薄膜(flexible copper-clad polyimide film, FCP)和聚合物导电带(conductive polymer tap, CPT),基于分离式霍普金森压杆标定试验和细观数值模拟研究了两种压力计的几何和材料因素对传感器测量性能的影响。结果表明,在20~320 MPa压力内,FCP和CPT的拟合灵敏度分别为(33.1±0.3)pC/N和(35.1±0.6)pC/N,50 MPa压力范围内CPT测量稳定性优于FCP,但较大的封装厚度和聚合物电极导致应力脉冲幅值衰减、脉宽增大。CPT冲击压缩时存在明显的应变率效应,而FCP由于胶层和电极层材料失效,应力应变曲线存在显著的非线性分段特征。数值模拟结果表明,压力计芯层和敏感元件间的厚度和材料性质失谐会对敏感元件上的应力脉冲产生较大影响,其中芯层突出造成的误差最大。封装厚度越小、加载强度越高,压力计越趋向于三向受压的一维应变状态,电荷输出由三向应力状态和压电系数矩阵共同决定。试验标定灵敏度与元件应力状态、封装材料力学性质失配、层间几何缺陷以及材料应变率效应等因素相关,压力计使用时需根据测量环境和应力脉冲特征进行封装和标定。