动压测试中PVDF压电薄膜的防热措施及其动态特性

李贵远，袁人枢

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

0 引言

聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)因其轻柔、稳定、高频响、高灵敏、大量程、成本低等优点[1]，在动态测量领域得到广泛应用。目前，国内对PVDF动态特性及其实验装置的研究，取得了很大进展。曾辉等利用利用霍普金森压杆装置，对PVDF压力传感器进行了动态校准，得出了校准拟合直线方程和较好的线性度[2]。范志强等设计了立式霍普金森压杆装置，并利用其对传统夹心式聚偏氟乙烯压力计进行标定实验，分析导线厚度、搭接方式及敏感元件面积等因素对压力计灵敏度影响[3]。王永强等利用PVDF压电薄膜自制薄膜传感器，并进行落锤动态标定实验，得到了较高的线性拟合度和较好的重复性[4]。张智丹等利用霍普金森压杆装置研究对比了PVDF压电薄膜和PZT-5压电陶瓷在冲击力作用下的输出线性度、响应时间和灵敏度[5]。

大量研究表明，PVDF压电薄膜适用于动态压力测试，但同时PVDF也具有热电效应，易受测试环境温度的影响。曾辉等通过对研制的PVDF压力传感器灵敏度受温度影响的试验，发现其灵敏度随温度增加而增大,两者关系是一条曲线[6]。程啟华对自制的PVDF压电传感器进行了热释电效应的试验研究，得出了PVDF压电传感器的温度使用范围,并拟定了温度修正曲线[7]。

本文提出粘贴聚丙烯膜的防热方法，分析聚丙烯膜的防热效果，并设计摆锤装置，研究聚丙烯膜对PVDF压电薄膜动态特性的影响。

1 粘贴聚丙烯膜的PVDF压电薄膜

本文采用的PVDF压电薄膜，其压电常数d33为33 pC/N。PVDF压电薄膜的处理如图1所示，首先将0.5 mm厚的环氧板粘贴在金属基座上，然后将PVDF压电薄膜粘贴在环氧板上，最后将聚丙烯膜粘贴在该PVDF压电薄膜上。3次粘贴均要反复按压，使胶层薄而均匀，并释放粘贴应力。实验使用的聚丙烯膜厚度为50 μm。

图1 粘贴聚丙烯膜的PVDF压电薄膜示意图

为了获得准确可信的实验结果和对比数据，对同一片PVDF压电薄膜粘贴聚丙烯膜前后分别进行冲击实验。

2 聚丙烯薄膜防热分析

聚丙烯应用广泛，是常见透明胶带的主要材质之一，易于获取。聚丙烯相关材料参数如表1所示，其热导率和热扩散率低，比铝、铜等常见金属小2个数量级以上，适于在动态压力测试中做短暂的(约5 ms)热防护。

表1 聚丙烯材料参数

如图2所示，将聚丙烯膜等效为薄板，其沿厚度方向的热传导可以简化为一维传热问题。

图2 单层板表面受热流作用示意图

运用单层板温升场理论[8]，有

(1)

式中：ΔT为单层板中的温升，K；q为单层板表面热通量，W/m2；α为材料热扩散率，m2/s；t为时间，s；λ为材料热导率，W/(m·K)；l为板厚度，m；x为单层板的厚度方向，m。

取x=l，得单层板的表面温升为

(2)

取x= 0，得单层板的背面温升为

(3)

假设待测压力源输出热通量为1 MW/m2，持续时间为5 ms，根据式(2)和式(3)求出此条件下不同厚度聚丙烯膜的温升曲线，如图3所示。

图3 不同厚度聚丙烯膜温升曲线

为了有效保护PVDF压电薄膜，背面温升应不超过30 ℃[7]。由图3得，聚丙烯膜的厚度应大于40 μm，此时其表面温升小于140 ℃，恰好满足聚丙烯工作温度条件。

3 动态特性实验系统

3.1 摆锤装置

相比于霍普金森压杆装置百兆帕以上的输出压力[4]和落锤-油缸装置1 kHz左右的频响，本文设计使用的摆锤装置可以输出较小的冲击力和较高的频率。如图4所示，摆锤装置主要由支架、回转轴、锤柄、力传感器和锤头构成。通过控制静止释放位置的摆角的变化，可以得到一系列的冲击力。

图4 摆锤装置结构示意图

3.2 测试系统

如图5所示，测试系统由摆锤装置、LC0501力传感器、PVDF压电薄膜、KISTLER 5165A电荷放大器、NI USB 6366数据采集设备和计算机组成。

图5 动态特性测试系统示意图

实验时，摆锤冲击力同时作用于力传感器和PVDF压电薄膜。冲击力的大小由力传感器测出，力传感器的参数如表2所示；PVDF压电薄膜受到冲击力的作用产生的电荷，利用电荷放大器直接测出。

表2 LC0501力传感器参数

4 实验结果与讨论

4.1 PVDF压电薄膜的动态灵敏度

根据实验测得的冲击力大小F(N)和电荷量Q(pC)，可以求出PVDF压电薄膜的灵敏度为

(4)

实验时测出一系列对应的Q-F点，采用线性拟合的方式得出Q-F曲线，由此得到灵敏度K。

对有无聚丙烯膜防热的PVDF压电薄膜分别进行实验，实验结果及数据拟合曲线如图6所示。

由图6可知，表面没有聚丙烯膜的PVDF压电薄膜的灵敏度为34.85 pC/N，表面粘贴了聚丙烯膜的PVDF压电薄膜的灵敏度为35.71 pC/N，两者相差2.47%。

4.2 PVDF压电薄膜的时域动态特性

图7是PVDF压电薄膜在摆锤冲击下的响应曲线和摆锤上LC0501力传感器的输出曲线。为了表征聚丙烯膜对PVDF压电薄膜动态响应特性的影响，将有无粘贴聚丙烯膜的PVDF压电薄膜输出脉冲波形的上升时间tr、下降时间tf和脉宽τ列表比较，如表3所示。结合图7和表3可以得出：无论有无聚丙烯膜，PVDF压电薄膜的响应曲线与LC0501的输出曲线基本重合；PVDF和LC0501的上升时间一致，而PVDF的下降时间明显长于LC0501；粘贴聚丙烯膜对PVDF响应上升时间没有明显影响，下降时间缩短约1/3；PVDF脉宽略大于LC0501。

(a)无聚丙烯膜

(b)有聚丙烯膜图6 PVDF压电薄膜动态校准曲线

(a)无聚丙烯膜

(b)有聚丙烯膜图7 动态压力测试信号时域曲线

表3 传感器时域动态特性参数

4.3 PVDF压电薄膜的频域动态特性

通过对LC0501和PVDF测试动态压力的输出信号作傅里叶变换，可以得到信号的幅频特性曲线，如图8所示。在大于3 kHz时，无论有无聚丙烯膜，PVDF和LC0501输出信号幅频热性曲线基本重合；在小于1.1 kHz时，有聚丙烯膜的PVDF其幅频特性曲线更接近于LC0501。聚丙烯膜对PVDF压电薄膜的动态响应特性没有明显影响。

(a)无聚丙烯膜

(b)有聚丙烯膜图8 动态压力测试信号幅频特性曲线

由图8可知，该实验方案可以产生约8 kHz的动态冲击信号，且证明PVDF压电薄膜的响应频率也在8 kHz左右，这一特性与上述信号脉宽0.130 ms吻合。

5 结束语

文中针对PVDF压电薄膜在动压测试运用中易受温度影响的问题，提出了一种粘贴聚丙烯膜作为PVDF压电薄膜的防热措施。利用单层板温升理论分析了聚丙烯膜的防热效果。设计一种带有标准力传感器的摆锤装置，通过敲击产生冲击力，对有无粘贴聚丙烯膜的PVDF压电薄膜进行对比实验，研究聚丙烯膜对PVDF压电薄膜动态特性的影响。实验表明：聚丙烯膜对PVDF压电薄膜动态灵敏度和响应特性均没有明显影响。验证了在动态压力测试过程中，粘贴聚丙烯膜作为PVDF压电薄膜防热措施的可行性和有效性。