【摘 要】
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以聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride,PVDF）压电膜为敏感元件的柔性压力传感器因具有较高的柔顺性和压电效应、适中的波阻抗和弹性模量等优点,便于加工安装、可集成度高、测试电路简单,被广泛应用于智能穿戴装备、能量俘获装置、健康监测和爆炸冲击压力测量等技术领域。然而,研究表明整体厚度较小的柔性压力传感器在进行准确压力测量时,其测量性能受封装方式、工艺和材质以及加载方式等多种因素
【基金项目】
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国家自然科学基金（12072326）； 中国博士后科学基金（2021T140562）； 中北大学青年学术带头人支持计划（QX202003）；
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以聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride,PVDF）压电膜为敏感元件的柔性压力传感器因具有较高的柔顺性和压电效应、适中的波阻抗和弹性模量等优点,便于加工安装、可集成度高、测试电路简单,被广泛应用于智能穿戴装备、能量俘获装置、健康监测和爆炸冲击压力测量等技术领域。然而,研究表明整体厚度较小的柔性压力传感器在进行准确压力测量时,其测量性能受封装方式、工艺和材质以及加载方式等多种因素影响,但影响规律和作用机制的研究并不充分。另外,当前有关PVDF传感器测量爆炸冲击压力问题的研究主要集中在10~1～10~3MPa高压力范围内,针对结构/人员表面承受的～10-1MPa级的冲击波压力的测量研究十分匮乏。本文针对适用于单兵穿戴式装备的柔性冲击波压力测量问题,首先对不同封装和加载方式对压力传感器测量特性的影响进行研究,然后基于冲击波标定实验和复合压电效应,提出并研制一种便携式、高灵敏、高精度的爆炸冲击波测量传感器,最后基于理论分析和数值模拟研究了压力传感器的力学响应问题。主要研究内容和结论如下:首先,通过传统夹芯封装方式分别制备了以柔性导电带为电极的CPT传感器、以聚酰亚胺加铜箔为电极的FCP传感器和局部极化的方式制备的整体性较强的SLP型传感器。通过霍普金森压杆装置对以上三种传感器进行了10～400MPa范围内的应力与灵敏度系数标定,三种传感器灵敏度系数标定结果分别为35.1±0.6p C/N、32±3.5p C/N和24.4±0.7p C/N。通过LS-DYNA对影响传感器灵敏度系数的各因素进行了数值模拟,结果表明PVDF压电膜元件在SHPB标定实验中处于一维应变状态,并定量研究了传感器内部平整度、封装厚度及芯层材料对压力计测量波形的影响规律。然后,通过激波管对商用和自制传感器在0.2～0.78MPa压力范围内进行冲击波加载并标定传感器的冲击波测量灵敏度,结果表明:1)较大的封装厚度会导致冲击波在层间反射特征突出,导致压力曲线产生高频震荡;较大的敏感元件面积则导致其对冲击波上升沿感应迟缓,冲击波阶跃特征测量精度差。2)FCP和SLP传感器的冲击波测量灵敏度数值和离散性均远高于SHPB实验应力波标定灵敏度,分别约为75～300p C/N和175～550p C/N,并随压力增大而减小,电荷量输出与冲击波强度呈显著的非线性关系;分析认为该现象主要与冲击波的超高应变率加载以及高聚物压电材料低压力范围内的力电响应非线性特征有关。3)通过增大CPT传感器敏感元件至8mm,可调控其冲击波测量灵敏度相比于FCP和SLP较为稳定,约为10～40p C/N,与SHPB实验应力波标定结果较为一致,其力电响应线性度和离散性均优于FCP和SLP,然而较大的封装厚度导致其测量冲击波上升沿和指数下降沿均出现较多高频震荡。最后,针对低幅值冲击波作用下PVDF力电响应非线性强的问题,理论分析验证了采用柔性压力计面外挠曲变形方式产生高量级面内拉应力的压力测量思路,设计并制备了具有复合压电效应工作模式的冲击波测量元件。通过等强度悬臂梁、修正的霍普金森拉杆对柔性传感器的面内拉伸力电响应灵敏度进行了测量,结果表明传感器的d31和d32分别为33p C/N和3p C/N,测量结果与文献中数据较为接近。冲击波实验测得面内拉伸应力工作模式的DSP和SLP传感器的冲击波测量灵敏度分别为882.0±86p C/N和1134.3±109.6p C/N,离散性和个体差异性小、力电响应线性度高。并且,实验表明通过调整传感器厚度、封装材质和挠曲变形区域直径可对压力传感器冲击波测量的灵敏度、脉宽等参数进一步地优化调控。最后通过数值模拟阐释了压力传感器冲击波测量高灵敏性的产生机理,数值模拟结果与实验和理论分析结果较为一致。本文提出并设计制备的具有复合压电效应工作原理的柔性冲击波测量器件,可为便携式冲击波检测设备的高集成化和智能化提供新的技术支撑。
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