基于PVDF膜的动态力测量传感器设计(5)
当PVDF压电薄膜贴在薄板上时，板的坐标轴x的方向与薄板拉伸方向 之间的夹角为 ，z轴的方向则是一致的，如图2.4所示。
图2.4 薄板与薄膜位置示意图
将PVDF膜固定在刚性薄板上，同时上面加上一个刚性薄板。如果不考虑刚性板的变形问题，假使力在传递过程中没有衰减，那当上盖板受到一个正向压力时，压力无损的传递到PVDF膜上面，PVDF压电薄膜就会在x、y、z方向上都会发生形变，只考虑PVDF膜的厚度工作模式，就只需要看成只在ｚ方向上发生了形变。在进行受力分析时，就只可以分析在垂直方向上的受力情况。
因为要实现对子弹撞击时的冲击力的测量，要求传感器在设计时必须考虑到夹持装置的抗冲击性能强，所以刚性材料就是一个良好的选择。
对于这个系统的受力情况可以通过建模来进行仿真计算。建立的模型如图2.5所示。
图2.5 传感器设计建模受力分析
A和C都是刚性材料，选用45号钢；B代表PVDF压电薄膜。因为在测量时要进行传感器的固定，现假使C是固定的，不会发生位移变化。当在A上施加一个力F后，因为B是弹性材料，要发生形变，则A会发生位移变化，若施加的力F是一个动态力，则在力的作用过程中会给A一个加速度，设为a，对A进行受力平衡分析，设下表面受到的力为 可以得到
F- =ma （4）
m为A（即上盖板）的质量。
根据作用力与反作用力，B（即PVDF膜）受到的力为 ，很明显，由于a>0，则F> ,这表明实际作用到PVDF膜上的力要比施加的力偏小。
所以在进行传感器的封装时，必须要对PVDF膜施加一定的预紧力，不仅能使夹持装置与PVDF压电薄膜完全接触，还可以减小上盖板的缓冲距离，使传感器更接近于一个整体，减小力在传递过程中得损失。
但是任何材料在受到高速冲击时，都会有个上限速率，所以在子弹大约1000m/s的速度冲击下，刚性材料会受到不可逆的损害。物体受到冲击，实际上是能量的一种转移，材料受力而变形是接受能量的体现，从材料微观看，是晶格的微变形，当变形能超过某值，就会有残余的不可恢复的变形存在，这就是冲击速度对材料的影响，实际是一种能量的突然聚集，由于速度快，无法实现正常传导而导致的能量聚集的残余变形能。据式（4）可知，当m越小时，误差越小，故PVDF压电传感器上盖板的质量应尽量减小。
在进行实验误差计算时，必须要考虑到这种能量的损失，即实验测得值要比实际值偏小，为减少这种系统误差，在设计传感器时，要保证力的作用面全部在PVDF上，尽量减少误差。
2.4 结构设计
本课题要求的是基于PVDF压电薄膜制作动态力测量传感器，采用的是锦州科信电子材料厂生产的PVDF薄膜，它是已经封装好的PVDF膜力传感器，采用将传感器上、下电极面引脚错开，穿透式方法将电极引出。其规格数据如表2.1所示：
表2.1尺寸 厚度 （封装）
压电常数 表面电阻
本课题使用的是已经封装好的PVDF膜，但是实验时需要测量大冲击力信号，所以需要在原有的PVDF膜上进行设计，使之能够用于宽范围的动态压力测量。故依据采用的PVDF膜的尺寸大小，这里设计了一种刚性夹持装置，使之能够可以用来测量子弹打靶时所产生的冲击力。表面粗糙度 ，具体的设计图如下：
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