关键词:
PVDF压电薄膜
可视化激波管
适配电路
数值模拟
摘要:
聚偏氟乙烯(PVDF)作为一种良好的压电聚合物材料,具备了柔性好、灵敏度高、频率响应范围大以及制备较为方便等优点。从发现至今一直是压力传感器和振动传感器敏感元件的优质材料,具有重要的研究意义和价值。现阶段PVDF压电传感器主要集中于柔性压力测量和加速度计方向,本文将进行能够测试较高压力的PVDF压电膜传感器的制备,并在可视化激波管设备上进行测试实验,最终通过激波传播的流场与测试数据相结合进行分析,重点做了以下研究工作:
(1)设计了PVDF压电传感器结构,可以应用于多种场合的压力测试;使用锋利边缘切割后经酒精等溶液处理毛刺,可以取得性能稳定的压电薄膜;最终使用铆接外接引线的方式封装PVDF压电膜。
(2)为PVDF压电薄膜设计适配电路,第一级放大电路选择电荷放大电路,保证压电薄膜输出电荷不会发生较大变化;第二级放大电路选择负反馈同相电压放大电路,电压放大电路设计为放大倍数可调使之可以有较好的匹配性,保证了电路运行稳定和适配采集仪器的需求;第三级为滤波电路,高通滤波器和低通滤波器均为五阶单位增益有源滤波器,使用巴特沃斯计算阶数,带通滤波器在1.3KHz~1MHz范围内有较好的幅频特性,能够满足使用要求,最后据此制作了PCB板。
(3)对压电薄膜的压电效应进行研究,运用数值模拟方法研究了压电薄膜频域、瞬态和稳态的特性,计算不同形状传感器对输出性能的影响,发现压电效应与外界载荷线性相关,载荷引起的位移分量以及电荷密度与基底材料相关,最后选用性能较好的刚性基底。
(4)对激波经过传感器后的流场进行数值模拟研究,并经过可视化激波管平台纹影仪进行图像采集,验证了数值模拟结果准确,并通过数值模拟结果验证传感器采集数据合理性,制作的PVDF传感器频响范围宽,为6.4MHz,灵敏度高,上升时间小,且敏感元件的制备和更换较为方便,可以降低损坏成本。