PVDF压电薄膜特性研究及其在装备状态监测中的应用

靳莹，徐海威

（装甲兵工程学院，a.机械工程系；b.学员四旅，北京 100072）

0 引言

聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）是一种新型压电高分子聚合物材料,它具有压电电压常数高、频响宽、灵敏度高、质量轻、柔韧性及耐腐蚀性好等优点［1］，同时易于加工和安装，且成本低。把PVDF 加工成薄膜作为传感器使用时，响应速度快，对系统的振动响应影响很小。因此，PVDF 压电薄膜越来越受到人们的关注，随着智能结构与系统的提出，PVDF 压电薄膜逐渐成为了研究的热点。PVDF 压电薄膜的研究不断深入、生产工艺不断改进，使PVDF 压电薄膜的应用越来越广泛。

1 PVDF 压电薄膜结构特性

为了获得PVDF 薄膜的压电性，需要对薄膜进行单轴拉伸，先获得经拉伸的结构（如图1 所示），然后将其加热到80～110℃并进行极化，得到具备压电性（如图2 所示）的薄膜结构。由于PVDF 薄膜的电容较小，当受到外负载的作用时，PVDF 薄膜所产生的电荷无法持续保持，正是这种特性，使PVDF 薄膜更适宜用于结构的动态监测［2］。

图1 经拉伸的PVDF 薄膜

图2 具备极化性的PVDF 薄膜

2 实验配置

试验采用江苏研杨公司生产的YE15000 振动力学实验台，实验台的结构如图3 所示。图3 中，a为简支梁、已经安装好的PVDF 传感器及对比所用的CA-YD-107 54179加速度传感器，b为YE5852电荷放大器，c为YE6251Y1 功率放大器，d为YE6251Y2 扫频信号发生器，两者结合可提供不同输入频率和幅度的简谐信号，e为YE15400 电动激振器，可根据输入的信号不同，对简支梁进行振动。

图3 试验台总体结构

对PVDF 传感器输出信号的采集采用如图4 所示的计算机采集。其中输入电缆的长度为450 mm，A/D 数据采集卡采用NI 公司PXI6251 采集卡，计算机处理与分析系统使用LabVIEW8.0 进行编写，能实现信号的采样、滤波和功率谱分析，采样频率设为2 kHz。

图4 数据采集系统的配置

实验材料为典型的PVDF 压电薄膜，裁减的形状为长13 mm、宽10 mm，其主要的物理参数如表1 所示。

在研究PVDF 的压电特性时，对比普通压电传感器的压电特性，需要在不同频率下进行比较。首先设定激振系统的振动频率，用产生的简谐振动激励简支梁，从而进行对比分析。实验过程如下：

1）设定信号发生器的频率为50 Hz，产生简谐振动信号并通过功率放大器放大之后传给激振器，这时简支梁受到激振器频率为50 Hz 的激励产生振动，对简支梁的中端进行正弦加载，使其振动，并记载PVDF 输出电压。用示波器观察PVDF 传感器和普通压电传感器波形，经确认信号无误后接入信号采集系统，对两组数据进行采集，时域波形如图5 所示。

表1 PVDF 压电薄膜的物理参数

图5 50 Hz 时PVDF 传感器与压电传感器时域波形

2）将信号改为冲击信号，用力锤锤击简支梁，用示波器观察PVDF 传感器波形，经确认信号无误后接入信号采集系统，冲击响应时域波形如6 所示。

图6 PVDF 传感器冲击响应时域波形

3 实验结果与分析

通过50Hz 的时域波形可以看出，PVDF 传感器的相位比CA-YD-107 54179 传感器的相位略有提前，这说明在形变足够的情况下，PVDF 的灵敏度比普通压电传感器更高。由图示我们还可以看出，PVDF 传感器在波谷时的波形相对于波峰的波形来讲更为尖锐。这是因为激振系统本身的原因（图中CA-YD-107 54179 传感器的输出波形在波谷时同样比波峰更尖锐），本文认为这是由PVDF自身的固有特性和实验的安装方式决定的。在一个振动周期中，当简支梁处于向上的最大形变时，PVDF 对应输出最大的正极电压；当简支梁由最大变形量向中间位置回复时，由于PVDF 具有极小的电容量，因此PVDF 传感器的电荷将迅速消失，同时由于PVDF 传感器本身存在的压电效应，PVDF 将产生抵消原来具有的电荷反向的电荷，此为原因之一；原因之二是选用的PVDF 压电薄膜在生产时其上下极面上分别都有焊接的接头，在粘贴PVDF压电薄膜的时候，PVDF 压电薄膜已经产生了一定的形变，造成当简支梁处于平衡位置时PVDF 还有一定的形变。

通过冲击响应的时域波形可以看出，冲击载荷作用于PVDF 压电薄膜后，瞬间就达到了峰值，响应时间短、速度快，说明PVDF 压电薄膜对结构所承受的冲击载荷的反应非常敏感，是监测结构冲击载荷的理想传感元件。

4 装备状态监测中的应用

PVDF 压电薄膜,具有柔性好、机械强度高、声阻抗易匹配、频响范围宽、能抗化学和油性腐蚀等优良特性,可加工成大面积和复杂形状的膜使用［6］。PVDF 压电薄膜的用途广泛，在力学、声学、医学、航空航天及军事领域逐步发挥着越来越重要的作用。如测量应力和应变,制作声辐射模态传感器，在振动中用来制作加速度计和振动模态传感器以及用在主动控制中，血压计、心音计及血液诊断传感器等。结构在冲击载荷下发生了损伤，应用PVDF 压电薄膜对结构的响应，可以实时监测装甲装备内部结构的损伤。将多片PVDF 压电薄膜同时配合使用，还可以监测出结构损伤的位置和大小。因此，应用PVDF 压电薄膜来监测军用装甲装备内部结构的冲击损伤具有广阔的发展前景。

PVDF 压电薄膜成本低，安装方便，灵活性好，适用于装备不解体测试。可用于监测复合材料中的冲击损伤和复合材料—金属连接处的损伤,也可制成自动检查系统,检测大面积层状结构和复合结构中的缺陷。

PVDF 压电薄膜及其聚合物可制成红外探测器、热像仪、红外—可见光转换器，应用于装甲装备状态监测。装甲车辆的故障复杂多变，且由于装甲车辆工作环境恶劣，其故障的检测用一般的故障检测方法（如振动和噪声等）很难准确地反映装备产生故障的位置及故障产生的机理等。通过对设备的结构、材料等的深入研究发现，无论零部件发生的主要故障是构成材料的损坏如磨损、破裂等，还是机械结构的异常，如堵塞与泄漏等，亦或者是外来的干扰如污染等，很大程度上都与设备工作的温度相关联。这将不同程度地对设备的热平衡产生影响，其内部产生的热将以不同方式和速度逐渐扩散到设备的各个部位，直至其外表的温度发生相应的变动。热量的变化必然会通过红外辐射得到反映，因此通过由PVDF 压电薄膜及其聚合物制成红外热像仪可有效地采集这些重要的信号，通过深入研究得知，不同的部位在不同的工况下通常有各自的温度临界值，且相同部位也会因故障的差异产生相应的温度等级；综合设备的结构、运转情况以及检修等诸多状况的研究，可对设备进行全方位的了解，及时掌握包括故障的性质和部位等设备的性能情况，把握设备运行趋势，能有效地对故障变化情况和其寿命作出相应的预报。

5 结语

通过实验表明，PVDF 压电薄膜动态响应特性具有如下特点：监测结构应变的灵敏度较高，动态响应有迟滞现象；可以实时监测结构的动态载荷。PVDF 压电薄膜具有压电系数高、柔韧性好、不脆不碎、质量轻、易粘贴和操作简单方便等优点，PVDF 压电薄膜在装甲装备状态检测上的结构缺陷检测、装甲装备状态监测及可靠性研究方面应用前景非常广阔。

［1］张兢.基于PVDF 的表面计测传感特性分析与应用［J］.压电与声光，2008，30（2）：164-166.

［2］万建国，石立华，朱纪军，等.PVDF 压电薄膜在结构监测中的应用初探［J］.传感技术学报，1998（2）：18-24.

［3］刘小宙，叶式公.压电薄膜超声换能器的特性研究［J］.声学学报，1999（4）：429-437.

［4］赵红平，叶琳，陆中琪.PVDF 压电薄膜在应力波测量中的应用［J］.力学与实践，2004（1）：37-41.

［5］李焰，钟方平，刘乾，等.PVDF 在动态应变测量中的应用［J］.爆炸与冲击，2003（5）：230-234.

［6］周洋，万建国，陶宝祺.PVDF 压电薄膜的结构、机理与应用［J］.材料导报，1996（10）：43-47

［7］赵东升.PVDF 压电薄膜制作传感器的理论研究［J］.计算机测量与控制，2005，13（7）：748-750.

［8］Lee C K.Piezoelectric strain rate gages ［J］.Acoust.Soc.Am，1991（8）：945-953.

［9］Mao Q B，Xu B L，Jiang Z.A piezoelectric array for sensing radiation modes［J］.Applied Acoustics，2003（64）：669-680.

［10］顾俭，姜哲.任意边界梁的声辐射模态伴随系数测量［J］.振动工程学报，2004（1）：86-90.

［11］Lee C K.Modal sensor/actuators ［J］.Journal of Applied Mechanics，1990（6）：434-441.

［12］Fuller C R.Modal sensing of efficient acoustic radiators with polyvinylidence：Fluoride distributed sensors in active structural acoustic control approaches［J］.Acoust.Soc.Am，1992，91（6）：3321-3329.

［13］Wang B T.The PVDF-based wave number domain sensing techniques for active sound radiation control from a simply supported beam［J］.Acoust.Soc.Am，1998，103（4）：1904-1915.