PVDF压电薄膜结构监测传感器应用研究

石家庄铁道学院学报Vol .

19　No .12006年3月JOURNAL OF SH I J I A ZHUANG RA I L WAY I N STITUTE Mar .2006

PV D F 压电薄膜结构监测传感器应用研究

杜彦良,　宋　颖,　孙宝臣

(石家庄铁道学院大型结构健康诊断与控制研究所,河北石家庄　050043)

　　摘要:压电材料是目前在智能材料系统研究中应用最为广泛的传感材料之一。由于P VDF 压电薄膜具有制作成本低、机械性能好、灵敏度高等优点而受到了广泛关注。以P VDF 压电薄膜作为结构监测的传感元件,对P VDF 的应变传感原理进行了研究,并建立了基于信号采集与处理的P VDF 应变监测系统,最后对P VDF 监测构件裂纹进行了实验。实现了压电薄膜的应变与裂纹监测,为实际工程应用奠定了基础。关键词:P VDF 压电薄膜;应变传感;裂纹监测

中图分类号:TP212.9　文献标识码:A 　文章编号:10063226(2006)01000104

收稿日期:20050704

作者简介:杜彦良　男　1956年出生　教授

1　引言

动态应变的测量一直是许多工程和力学工作者所关心的问题。常用的应变传感器有金属电阻应变片和半导体应变片。前者的灵敏度系数较低,后者的灵敏度系数有非线性和受温度影响大的缺点。因

而,开发研究新的应变测量技术是很有意义的[1]。

压电材料是智能材料系统中应用最为广泛的一类传感材料,近年来研制开发的P VDF 压电薄膜,由于柔性好、强度大、耐力学冲击、耐腐蚀和可以任意分割等优点而受到广泛应用。尤其是它的压电电压常数高,与基体结合后对结构的性能影响很小,对于机械应力或应变的变化具有极快速的响应,频响范围宽(0.1Hz 到几个GHz ),因此更适合用作传感元件。P VDF 测量应变,利用了P VDF 薄膜横向变形输出电荷的原理,由于P VDF 压电薄膜的电容较小,当它受外力作用时所产生的电荷很难长时间保持,因此更适宜用于结构的动态监测。

对以P VDF 压电薄膜作为传感元件进行动态应变测量的原理进行了研究,并建立了应变监测系统,力图实现基于P VDF 的结构应变与裂纹监测,从而推动大型结构健康监测的研究。

2　PVD F 压电薄膜应变传感原理及等效模型

2.1　PV D F 传感特性

在具有压电特性的材料中,电学参量和力学参量不再是相互的,而是相互联系的。压电方程是反映压电材料的电学量(E,D )和力学量(T,S )之间相互关系的物态方程。由于边界条件和自变量的差异,使其具有不同的形式[2]。为了直接描述P VDF 压电薄膜的输出电信号与应变之间的关系,采用第一类压电方程(d -型压电方程)。P VDF 压电薄膜作为传感元件使用时,外加电场为零,这时压电方程可表示为

D i =d ij T j (i =1,2,3,j =1,2, (6)

(1)式中,d ij 是压电常数。

P VDF 压电薄膜的电荷输出是它所有方向的应变在极化方向上作用的响应

Q =

∑d ij E PVDF εj S (2)

2　石　家　庄　铁　道　学　院　学　报第19卷式中,S 为P VDF 传感元件的电极所覆盖的面积;E PVDF 为P VDF 压电薄膜弹性模量;εj 为应变(j =1,2,3)。

利用P VDF 传感元件对结构面检测,P VDF 压电薄膜的基本尺寸为t ×l ×w (如图1(a )所示),极化方向平行于z 轴(如图1(b )所示),实验中布置在结构表面的P VDF 传感元件实际受力是一维状态,即只在x 图1　PV D F 压电传感器原理

方向进行传感,同时考虑P VDF 压电常数矩

阵[3]中不为零的常数,(2)式简化为

Q =d 31ε1E PVD F S

(3)2.2　PV D F 压电传感元件的电路等效模型

从功能上看,当压电薄膜作为传感元件

时是一个电荷发生器,因此可用一个电荷源

等效;从P VDF 压电传感元件的组成和几何

结构看,也是一个电容器。因此,输出电学理

想条件下的传感模型可以用电荷源等效[4]。

实际使用时,压电元件的输出端存在着电荷损耗的电学非开路条件,压电传感元件的电学响应不仅和机械作用有关,还与由电路损耗电阻确定的输出电流有关。P VDF 压电薄膜产生的电荷必须经电荷放大器变成电压信号,才能进行采集。

考虑P VDF 压电薄膜的等效电阻和电容分别为R a ,C a ,电缆的分布电容C c ,

电荷放大器的输入阻抗图2　电荷等效电路

R i ,C i 等损耗,其电荷等效电路如图2所示。且C =C a ∥C c ∥C i ,R =R a ∥R i 。

2.3　PV D F 压电传感元件与电荷放大器的配接[4]

电荷放大器是一个具有深度负反馈高增益的运算放大器,其等效电路如图3所示,K f 为电荷放大器

的开环增益,C f 为放大器反馈电容。U i 为电荷放大器的等效输入电压,U o 为电荷放大器的输出电压。

根据电路的有关知识和式(3),可得经电荷放大器放大后P VDF 压电传感器的最终输出电压为

U o =-K f U i =-K f Q /[C +(K f +1)C f ]=-K f d 31ε1E PVD F S /[C +(K f +1)C f ]

(4)式中,C =C a +C c +C i ,当(K f +1)C f µC a +C c +C i 时,(4)式可简化为

U o =-d 31ε1E PVD F S /C f

(5)图3　电荷放大器的等效电路

故当(K f +1)C f µC a +C c +C i 和当电荷放大器的系数

K f ϖ∞时可认为输出电压与电缆长度无关,这是电荷

放大器的突出优点。由式(5)可知,电荷放大器的输出

电压与被测结构的应变成线性关系。

3　PVD F 应变监测系统的建立

当P VDF 压电传感器与后端各种仪器组合使用构

成一个应变监测系统时,后端要连接电荷放大器和A /D 转换卡及计算机数据处理及分析系统,各种仪器之

间的输入电缆和输出电缆以屏蔽线构成。为减小噪声干扰,P VDF 传感器与被测结构之间绝缘连接,系统中采用的电缆线在使用中将其固定以便减小电缆噪声。基于P VDF 的应变监测系统框图如图4所示。

第1期杜彦良等:P VDF

压电薄膜结构监测传感器应用研究3　图4　应变监测系统框图基于P VDF 的应变监测系统可用于对结构的应变、裂缝等各种局部响应的

实时监测。首先,布置在结构表面上的P VDF 传感器将结构的局部响应转换成

电荷信号输出,电荷信号经电荷放大器转换成电压信号。输出的电压信号通过

A /D 卡转换成计算机可处理的数字信号,采用Matlab 语言程序进行信号处理和

分析。经过计算机处理与分析后的数字信号可进行存储,并通过示波器可实时

显示。

4　应用

一些在役的结构或构件,由于各种原因(如焊接缺陷、裂纹等)可能存在不

同程度的损伤或缺陷,当承受交变荷载时,即使荷载水平远低于材料本身的强度

极限,裂纹可能会萌生并扩展,从而导致结构或构件的抗力降低带来安全隐患。

因此,监测结构的裂纹状况可以为结构的安全评定与损伤定位提供直接的信息,的重要措施之一。

基于P VDF 压电薄膜进行面检测灵敏度高、响应快等优点,利用应变监测系统对试件的裂纹萌生至断裂全过程进行监测,得到试件应力集中部位的裂纹萌生和扩展时的电压信号特性,根据得到的信号曲线,研究试件裂纹萌生瞬间和其断裂过程。

4.1　基于PV D F 的裂纹监测实验

图5　裂纹监测实验系统(单位:mm )

为便于控制实验过程,采用尺寸为30mm ×

200mm ×0.2mm 的铜箔作为拉伸试件材料,试

样上具有一定尖锐度的机械切口,以便在低的拉

伸荷载下、在较短时间引发足够尖锐的裂纹。

P VDF 压电薄膜(尺寸为10mm ×20mm ×0.17

mm )沿试件表面的中轴线粘贴,离预留缺口2～

5mm 。布置方式如图5(a )所示。本实验利用砝

码对试件施加竖向拉伸荷载,测定试件纵向拉伸

应变所产生的P VDF 压电薄膜的电荷输出。利

用上述所建立的应变监测系统对P VDF 压电薄

膜的信号进行采集,采样频率为2000Hz,通过

示波器显示,从而及时了解裂纹的萌生、扩展直

至断裂全过程。测试系统如图5(b )所示。4.2　实验结果

图6　PV D F 裂纹监测全过程图6为试件开裂全过程的P VDF 输出电

压信号的时程曲线。从图6中可以看出,输出

分三个阶段:第一阶段,P VDF 压电薄膜的监测

范围内未产生裂纹,随着施加载荷,因受到垂

直于裂纹方向的拉应力作用,切口前方的应力

场发生了变化,因此贴于此处的P VDF 输出电

压也发生相应变化;第二阶段,随着载荷增加,

裂纹慢慢随着切口方向发展,当抵达P VDF 粘

贴位置时,输出电压出现明显脉冲信号;第三

阶段,裂纹经过了监测范围,随着裂纹的进一

步扩展,应变幅值几乎减小到零,输出电压信

号也随之减小。当试件彻底断裂,P VDF 的拉伸状态解除,出现回缩过程,如果此时P VDF 压电薄膜及连

接导线完好无损,它的输出将出现反方向信号,然后慢慢变为零。

可见,利用P VDF压电薄膜监测裂纹萌生与扩展过程,就是当结构或构件受到外力作用产生变形或断裂时,研究P VDF的输出电压与裂纹萌生和扩展间的关系。通过记录分析P VDF电信号的瞬态波形,可以很好地掌握P VDF压电薄膜的输出特征及结构的裂纹状况,对结构安全评定与损伤定位提供可靠信息,从而实现结构健康监测的目的。

5　结语

智能材料结构系统在结构健康监测的应用研究很受重视,高性能传感元件的研究与开发至关重要,这将推动结构的智能监测与诊断系统的研究和应用,从而使土木工程结构的长期健康监测与安全评定成为可能。P VDF传感元件在结构应用领域还处于探索阶段,没有建立成熟的结构健康监测系统,因此,利用性能优越的P VDF研发先进的智能传感、监测系统很有意义。

参　考　文　献

[1]李焰,钟方平,刘乾,等.P VDF在动态应变测量中的应用[J].爆炸与冲击,2003,23(3):230～234

[2]张福学,王丽坤.现代压电学(上)[M].北京:科学出版社,2001

[3]Joseph Callahan,Hai m Baruh.Active contr ol of flexible structures using seg mented p iezoelectric actuat ors[A].Pr oceedings of

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[4]王化祥,张淑英.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社,1988

Research on the Theory of Stra i n Sensi n g Usi n g PV DF Fil m

and its Stra i n M on itor i n g Syste m

D u Yan li a ng,　Song Y i n g,　Sun Baochen

(Structure Health Monit oring and Contr ol I nstitute,Shijiazhuang Rail w ay I nstitute,Shijiazhuang,Hebei,050043,China) Abstract:A t p resent,p iez oelectricity material is one of the most widely used sensing materials in the re2 search of s mart material syste m s.A s one of the p iez oelectricity materials,P VDF fil m has received extensive at2 tenti on f or its p r operty advantages of l ow cost,good mechanical ability,high sensibility and s o on.I n this paper, research is done t o study the strain sensing p r operties of P VDF fil m as the strain sens or,and P VDF strain moni2 t oring syste m is devel oped based on the hardware and s oft w are of signal collecting.Finally,experi m ent on P VDF fil m is carried out t o monit or structure cracks.This paper has realized strain and cracks monit oring by using P VDF fil m,which is funda mental work f or its further app licati on in engineering.

Key words:P VDF(Polyvinylidene Fluoride)fil m;Strain sensing;Crack monit oring

(责任编辑　刘宪福)