PVDF传感器标定中的信号处理算法

沈 峰 郑 航

(1.安徽科技学院计算机科学与技术系, 安徽 凤阳 233100；2.中国科学技术大学近代力学系, 合肥 230027)

聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,简称PVDF)是一种新型的高分子聚合物型压电材料。PVDF压电薄膜具有体积小、耐化学腐蚀、介电强度高、稳定性好等优点，由其制成的元器件已在冲击动力学、机器人科学、智能交通和电子学等领域得到广泛应用[2-4]。上世纪八十年代中期在冲击动力学领域，已利用PVDF压电薄膜进行动态压力测试。PVDF压电薄膜制作传感器的研究可见于多种试验装置[5-6]，如SHPB(分离式Hopkinson压杆)中的压力测量、轻气炮中平板撞击、爆炸近区超压测量、平面撞击下产生的平面冲击波导致的纵向和横向应力的测量、X射线诱导的冲击压力测量、火炮弹底总压力测量等。

本文对自制的PVDF压力传感器利用霍普金斯压杆进行标定。由于标定实验得到的PVDF信号存在零点漂移，不能直接积分得到理想的转移电荷信号，提出利用LabView设计对PVDF电流信号进行处理实现电荷转移，该算法可快速地消除零点漂移对积分的影响。

1 PVDF压力传感器原理

1.1 压电方程

压电材料受到力和电场作用时，压电方程为[7]：

(1)

式中：d— 压电应力常数矩阵；σ— 应力，N；E— 电场强度，NC；εσ— 介点常数矩阵的转置矩阵；m，n可取1～3，j取1～6。

当使用PVDF薄膜制作压力传感器时，主要考虑3个方向主应力(以压为正)所产生的单位面电荷密度D，于是压电方程可简化为：

D=d31σ1+d31σ2+d33σ3

(2)

在实际使用中，由于PVDF压力传感器厚度、方向和尺寸远小于其他两个方向，传感器处于简单的受力状态，便于使用。

1.2 测量模式

PVDF压电薄膜可以等效成一个电容器，有两种不同的测试方式[9]：电荷模式(图1(a))和电流模式(图1(b))。在前一种模式下传感器经过电荷放大器，可以直接输出到示波器，测量与压力成比例的电压，直接得到压力随时间变化的关系，该方法通常受到电荷放大器频响的限制，测量频响在200 kHz以下。电流模式中，一个电阻器横跨传感器进行放电，电路中的电流反映该时刻电荷对时间导数的大小，测量电阻R两端的电压，并对其进行时间积分得到电荷量。本文采用的测量模式为电流模式。

图1 PVDF测量模式示意图

由于PVDF自身的阻抗很大(可以达到1013Ω)，因此在PVDF与示波器之间并接一电阻R。采用电流模式可将高阻信号源(PVDF)转化为低阻信号源，便于与电路阻抗匹配，同时保持了高频响应特性。

在电流模式回路中瞬时电压、电流和电荷的关系为:

(3)

式中：C— PVDF传感器的电容与测量电路中电缆的电容之和，约为10-10F，远小于U(t)R，可忽略。

则PVDF传感器释放的电荷为Q(t):

(4)

1.3 传感器介绍

PVDF压电薄膜的厚度小，质地脆弱，使用时直接粘贴在试件表面则易坏。因此，需采取有效的封装措施进行保护；同时由于PVDF薄膜表面的导电镀层很薄，需设计一种电极导出产生的电荷。所设计的电极由基底(聚酯)和金属镀层(鏮铜)组成，基底厚度为25 μm，金属镀层厚为5 μm，具有很好的柔韧性，耐腐蚀。

PVDF压力传感器的制作工艺已申请专利，制作的PVDF应力传感器的结构如图2所示。由电极、PVDF压电薄膜、绝缘胶层和引线构成，其中电极不仅起保护和定型作用，还是信号的传输载体；PVDF薄膜为感知元件，引线作为信号传输的载体，制成的传感器总厚度约为90 μm，长47 mm，宽16 mm。

1、5 — 上、下层聚酯膜；2 — 上、下电极；3 — PVDF元件；4 — 绝缘层

图2 PVDF结构示意图

2 标定实验

研究表明，在高应变率下的材料力学性能的试验中，霍普金斯(Hopkinson)压杆是一种简便易行的试验技术。因此，对PVDF应力传感器进行标定通常使用分离式Hopkinson压杆技术。 本文使用自制的分离式霍普金斯压杆对PVDF应力传感器进行标定，标定所使用的PVDF传感器有效直径4 mm(面积12.56 mm2)，杆直径12 mm，子弹长度220 mm，入射钢杆长度2 000 mm，透射钢杆长度1 500 mm。在SHPB上进行的标定试验装置如图3所示，入射杆和透射杆分别贴有应变片，所采集的应变信号和PVDF压力信号同时由示波器记录。实验共进行5次。

图3 SHPB标定试验装置图

霍普金斯压杆动态标定方法基于一维应力波理论，通过应变片测量输出杆上某点的应变，求得压缩波的峰值应力大小。通过对PVDF压力传感器输出电流进行积分得到转移电荷量，根据定标关系可得:

σ(t)=Q(t)AK

(5)

式中：K— PVDF压电薄膜的灵敏度系数；A— 受压力的有效面积。

对于标定实验，可由式(6)确定K值：

K(σ)=QAσ

(6)

式中：σ— 是压力脉冲的峰值平台应力，N；Q— 相应的转移电荷，C。

3 数据处理

3.1 LabView介绍

美国NI公司开发的软件LabView(基于虚拟仪器概念设计)是一种真正意义上的图形化编程语言，以其界面友好、开发周期短、拥有丰富的数据采集、分析库函数，被公认为是标准的数据采集处理和仪器控制软件。LabView类似于C和BASIC开发环境，但是LabView与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabView使用的是图形化编辑语言编写程序，产生的程序是框图的形式。

3.2 信号处理算法设计

标定实验得到的典型标定信号如图4所示，实验得到的PVDF信号由于存在零漂，不能直接积分得到理想的转移电荷信号。

图4 典型标定实验信号

PVDF信号处理流程图如图5所示。

图5 PVDF信号处理流程

完成图5功能的LabView框图程序如图6所示。通过载入文件的形状直接可以得到信号处理完毕后PVDF压力传感器的转换电荷时程曲线，如图7所示。通过原始波形与积分处理结果的比较，说明图6所示信号处理算法可有效的消除零漂对积分的影响。

图7 PVDF的积分结果比较

需要说明的是在算法中数据点共有10 000个，由于LabView读入波形文件后得到数组形状的数据格式，而滤波输入的数据格式为波形，因此要将单列的电流信息通过引入时间标度转换为波形格式。

图8给出了LabView输出的转移电荷曲线和应变片信号，说明LabView处理结果比较满意。

用电脑运行算法程序处理数据的结果见表1，波形数据长度为10 000，通过LabView的性能分析模块得到程序以及调用子程序完成一次数据处理的耗时分布。完成数据处理总的耗时为1.125 s，相对较快。

图8 PVDF积分得到的转移电荷信号图和应变片信号图

表1 完成一个数据处理耗时分布情况 ms

3.3 标定结果分析

标定实验数据处理结果见表2。其中转移电荷由LabView积分得到，峰值应力由应变片信号分析后得到，利用式(6)得到灵敏度系数K。

表2 标定实验数据处理结果

通过与文献中PVDF标定实验[9]结果进行比较(图9)，发现本文的标定结果与之相近，说明PVDF压力传感器的稳定性较好。

图9 标定结果与文献[9]结果的比较

4 结 语

本文针对自制的PVDF压力传感器，使用分离式霍普金斯压杆对它进行标定。在标定实验中得到的PVDF信号由于存在零漂，不能直接积分得到理想的转移电荷信号。为方便PVDF信号的处理，需要对PVDF信号进行消除零漂的处理，通过利用LabView设计的信号处理算法可以有效的消除零漂对积分的影响。通过与相关文献中PVDF标定实验结果进行比较，本文的标定结果与其相近，说明PVDF压力传感器的稳定性较好；另一方面也说明该算法可有效快速的消除零漂对积分的影响，该算法可用于类似信号的处理。本文自制PVDF压力传感器已申请专利，实际应用效果达到设计目标。

[1] Kawai H.The Piezoelectricity of Poly Vinylidene Fluoride[J].Journal of Applied Physics，1969,8(7):975-976.

[2] 陈卫东，董艳茹，朱奇光,等.基于PVDF的三维机器人触觉传感器有限元分析[J].传感技术学报，2013,23(3)：336-340.

[3] 陈政，钟汇才，李庆,等.基于PVDF压电传感器的车辆动态称重信号的研究[J].传感器与微系统，2012,31(4):36-39.

[4] 潘孝业，胡挺，刘凤臣.基于PVDF的欠驱动多指手滑触觉硬件系统[J].机电工程，2012,29(3):318-321.

[5] 李焰，钟方平，刘乾.PVDF在动态应变测量中的应用[J].爆炸与冲击,2003,23(3):230-234.

[6] 徐浩，苗筱亭，玛宾宾,等.基于PVDF压电薄膜的大口径火炮弹底发射装药挤压应力测试方法[J].振动与冲击，2012,31(22)：21-23.

[7] 毛芹，王涛，郝鹏飞,等.基于PVDF压电片发电的特性研究[J].北京理工大学学报，2012,32(11)：1140-1144.

[8] 崔村燕，洪延姬，李修乾,等.PVDF压力传感器标定及在激光推进实验中的应用[J].爆炸与冲击，2011,31(1)：31-35.

[9] 张安跃，唐志平，郑航.PVDF压力传感器的冲击压电特性研究 [J].实验力学，2009，24(3)：244-250.