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压力检测技术在水下工程领域有着广泛的需求,如船舶吃水深度检测、水下机器人状态监测等。当前,人们普遍使用具有压电效应的固体材料或以PVDF(聚偏氟乙烯)为代表的聚合物薄膜材料,将压力信号转变为电信号。但固体材料脆性强,抗冲击性能较差,易断裂,且不适合用于活动机械关节。为产生压电效应,PVDF薄膜需要进行极化处理,并且在使用过程中易受压力之外的其它环境参数(如温度)的影响。本文提出了—种利用PDMS(聚二甲基硅氧烷)与金属薄膜在压力作用下相互摩擦进行压电信号转换的方法,分析了其工作机理,通过实验和数值模拟的方法,系统研究了其压力检测的性能。具体来看,本文的主要研究内容有:(1)设计了基于PDMS-金属薄膜复合电极的压力检测系统,并进行了实验研究。研究结果表明:检测电极的输出电压与施加在电极表面的压力成正比。当载荷从0线性增加到5g时,厚度为1mm复合电极的输出电压从0V线性增加到0.08V,并且输出电压曲线斜率正比于载荷的变化率。此外,输出电压的幅值随PDMS薄膜厚度的增加而减小。当PDMS薄膜厚度100μm,注射泵速度0.7mL/min,动载荷检测的输出电压均值为0.9V,而PDMS厚度为1mm时相同动载荷下输出电压均值为0.3V,这主要是由于PDMS越薄,相同载荷下形变量越小,储存的弹性势能越小,相应的电势能增量越大。由于检测电极双电层电容量不变,电势能增量越大,电压越大。(2)采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了复合电极PDMS层的形变随外界压力的变化规律。研究结果表明:相同载荷下PDMS形变量随其厚度的增加而增加。这主要是由于PDMS表面摩擦系数随厚度的减小而变大,厚度越小越不容易形变。具体来看,当施加在厚度1mm,直径2cm的PDMS薄膜压力为0.5N时,PDMS薄膜的横向延展量在1～2μm之间,压缩量为0.47μm左右,数值模拟结果与实验结果吻合极好。本文提出的摩擦式压电转换方法具有结构简单、灵敏度高等优点,为发展新型柔性无源压力传感器及水下无人潜航器压力监测提供了新的思路和方法。