利用高分子压电薄膜设计位移传感器.pdf

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1、2011年仪表技术与传感器2011第6期InstrumentTechniqueandSensorNo．6利用高分子压电薄膜设计位移传感器毛崎波(南昌航空大学飞行器工程学院，江西南昌330063)摘要：以一端固定、另一端为任意边界条件的振动梁为例，文中提出通过分部积分方法设计特定形状的PVDF薄膜测量其结构位移。这种分部积分方法得到的PVDF位移传感器形状不但与外激励力的性质(如激励力类型、位置以及频率等)无关，而且不需要振动梁的模态信息。实验结果表明：这种位移传感器的设计是可行的。关键词：位移传感器；高分子压电薄膜；分部积分中图分类号：TB535

2、．1文献标识码：A文章编号：1002—1841(2011)06—0012—02DisplacementSensorUsingPVDFFilmMAOQi—bo(SchoolofAircraftEngineering，NanchangHangKongUniversity，Nanchang330063，China)Abstract：Withtheexampleofvibratingbeamswithoneclampedendandanotherarbitraryboundaryconditionend，thispaperpresentedanewmet

3、hodologytodesignthedisplacementsensorusingashapedPVDF(polyvinylidenefluoride)filmbasedonthebasisoftheintegralinpartsapproach．ThePVDFsensorshapewasshownindependentofprope~yoftheexcitation(thetype，posi—tionand~equency，etc．)．Furthermore，thedesignmethoddoesnotrequireknowledgeofth

4、estructuralmodeshapesofthestruc—tures．Theexperimentalresultsshowthefeasibilityofthisnewtypedisplacementsensor．Keywords：displacementsensor；PVDFfilm；integralbyparts0引言上沿固定端粘贴PVDF薄膜，如图1所示，根据参考文献⋯，其近年来，压电智能材料(PiezoelectricSmartMateria1)特别是输出电荷Q可以表示为高分子压电薄膜(Polyvinylidenefluoride，

5、PVDF)作为压电式传Q一)．(e3l)(1)感器在测量和控制结构振动及噪声中的应用越来越引起关注-33。PVDF薄膜具有密度低、机械韧性好、可塑性强等特式中：为PVDF薄膜的长度；h和h分别表示振动梁和PVDF点，把它加工成薄膜粘贴在结构体上，对系统响应的影响很小。薄膜的厚度；F()为PVDF的形状函数；e31为PVDF的压电常是一种理想的粘贴式或埋入式压电传感器。Lee和Moon数；埘()为振动梁的位移。首先成功地应用PVDF压电薄膜作为传感器粘贴在悬臂梁上，通过设计PVDF的形状，测量到了其特定的结构模态的模态速度。随后有众多学者对模态传感

6、器的设计方法及其测量技术进行了大量研究。例如Tanaka探讨设计特定形状的PVDF薄膜测量简支板的结构模态速度，并进行了实验研究。文中提圜1rVU■不恧圈出通过Adomian分解法推导振动梁模态传感器的形状。压通过对式(1)进行两次分部积分，得到电式传感器不但可以测量结构振动模态信息，也可以用来测量小)结构声辐射信息，如体积速度，声辐射模态等，在此前发表的论文中，对此进行了大量的理论和实验研究。(2)目前对压电式传感器的研究主要集中在模态传感器的设=一㈤卜计上，文中以一端固定振动梁为例，提出通过分部积分方法设计特定形状的PVDF薄膜测量其位移。并

7、与加速度计的测量㈤)结果进行了实验比较。与传统的加速度计相比，PVDF位移传由于在=0时为固定边界，其边界条件满足：感器具有质量轻、价格低廉、可以与结构一体化等优点。(0)：曼：0(3)1通过分部积分设计PVDF传感器d考虑在一端固定、另一端为任意边界条件的振动梁的表面通过利用式(3)，式(2)可以简化为Q：㈣+)-、∞基金项目：南昌航空大学博士启动基金；江苏省汽车工程重点实验室开放基金(KJS01088)；江西省自然科学基金项目(2008GZW0020)IL㈤)(4)收稿151期：2010—10—09收修改稿日期：2011一O2—25第6期毛崎

8、波：利用高分子压电薄膜设计位移传感器13为了通过PVDF薄膜测量振动梁中一点=L的位移实验中，用B&K4810激振器作为外部力源，通过w