基于PVDF膜的动态力测量传感器设计(2)
参 考 文 献 24
附录A 基于PVDF膜的动态力测量传感器实物图 26
附录B 测量电路整体图 27
附录C PVDF压电传感器立体图 28
1 绪论
1.1 研究的背景与意义
在现在的工程实践与实验中，实时动态力测量越来越广泛。动态力传感器是工业实践中较为常见的传感器之一，由于压电传感器的优良性能，压电动态力传感器应用较为广泛。随着科技的发展，动态力测量日趋重要。如武器系统发射时的后坐力、高速弹丸撞击靶板时的撞击力时都是动态力，要得出具体的实验数据，动态力测量传感器是必不可少的。
PVDF作为一种压电材料，质量轻，可以实现测量传感器的小型化，因此对于测量质量较轻的结构时，用PVDF传感器可以显著地提高测量精度；另外在测量频率变化范围很宽的情况下，使用PVDF传感器效果也更好。现在国内对运用PVDF膜制作传感器尚处于摸索和尝试阶段，目前未对其标准化，因此把PVDF传感器标准化和系列化是今后要着重研究和解决的问题[1]。
本课题通过对PVDF压电薄膜压电效应原理与方程和工作模式的研究，制作出基于PVDF膜的动态力测量传感器；设计并搭建测量电路；在做论证实验时，进行了对比试验和弹丸撞击实验。
1.2 国内外研究现状
1.2.3 PVDF膜的应用研究
PVDF压电薄膜传感器应用范围广泛，在国外己达到了商品化水平。美国MSI公司
研制的共聚物PVDF压电薄膜轴传感器，己在世界许多国家的智能高速公路管理系统、
动态公路车辆称重系统、高速公路超限监测预选、桥梁超载报警、遂道保护和自动电子收费系统中得到了广泛应用。该公司生产的压电薄膜加速度计具有低成本、高灵敏度、可靠性高并且无源的特点，在医疗器械、电器、报警器、安防系统、工业开关以及玩具制造等领域得到了广泛应用。法国阿科玛ARKEMA公司利用PVDF良好的充放电性，将PVDF粉作为铿电池的粘贴剂，可大大的节省成本。
自PVDF压电薄膜发现以来，国内学者对其应用也进行了大量的研究。1992年，
罗志增等人采用PVDF压电薄膜研制了PVDF触觉、滑觉传感器[10]，用于机器人自适应抓取。罗志增等人在1997年研制了PVDF三文腕力传感器及PVDF热觉传感器[11]，分别用于机器人装配作业和实现不同材质工件的区分，PVDF以其优良的压电性能及很好的柔顺行，在机器人传感器领域得到了广泛的应用。1999年，金观昌等人研究了基于PVDF的多点脉搏计算机辅助测试系统，实现了多点动态实时测量[12]。2004年，王国力等人进行了PVDF压电薄膜脉搏传感器的研制，实验结果表明PVDF压电薄膜声阻抗低这一优点较好的解决了以往由刚体材料制成的脉搏传感器头与人体藕合不好的问题，并且实现了传感器设计的整体小型化[13]。张玲等人研究了PVDF的触觉、滑觉、温觉的仿生皮肤传感器，建立了仿生皮肤的分析模型[14]。
1.3 本课题的主要工作
本课题的主要工作是在实验的基础上，结合PVDF压电薄膜的压电效应方程，输出电荷特点，结合PVDF压电薄膜的工作模式来设计一种基于PVDF膜的动态力测量传感器；并设计搭建信号调理电路实现输出电荷信号的测量；在设计信号调理电路时要考虑到各种环境的、系统的干扰，设计并搭建滤波电路，考虑到PVDF膜的电容值较小，输出的电荷值很小，需要结合具体的实验数据相应的设计电荷放大器电路；最后组建试验系统，实验部分分成两个步骤：首先进行对比试验，同时对所设计的PVDF压电传感器与9031A力传感器施加一个动态力，比对两个传感器输出波形，计算出PVDF压电薄膜传感器的灵敏度；第二步是到靶场进行弹丸撞击实验，测试所设计的传感器在测量高速撞击力时的性能。
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