基于分布式压电传感器的结构表面体积速度测量实验研究

以简支矩形薄板为研究对象,首先在波数域内对结构振动体积速度与辐射声功率的关系进行分析,推导出反映结构模态对体积速度贡献规律的数学表达式.在此基础上,结合PVDF压电薄膜的电荷输出方程,利用三角函数的正交性,给出一种新方法来设计体积速度传感器,并针对具体模型进行了结构体积速度测量实验研究.结果表明,所设计的分布式体积速度传感器具有较好的传感精度,进而说明了方法的正确性.同时还发现PVDF压电薄膜制作工艺与粘贴位置的偏差对其传感精度在一定频带内有较大影响,并且对不同位置激励下传感的影响程度不同.     

基于PVDF压电传感器测量振动结构体积位移

控制振动板结构的体积位移是降低结构总声功率的一种有效策略。本文以工程常见四端位移为零的振动板为例，提出一种新的压电式传感器的设计方法测量体积位移。利用正弦函数展开近似表示固定板振动位移，通过设计特殊形状的PVDF压电薄膜，使PVDF输出信号为所需要的振动结构体积位移。结果表明这种体积位移传感器不仅适用四边简支、四边固定以及介于两者之间的边界条件板结构，而且作为一种误差传感器测量振动结构体积位移是可行的。并对实验数据进行了分析比较。     

通过PVDF阵列设计阶梯梁的模态传感器

以两端固支阶梯梁为例,通过高分子压电薄膜(Poly Vinyli Dene Fluoride,PVDF)传感器阵列测量其模态坐标。在该阶梯梁表面均匀黏贴一组相同形状的矩形PVDF薄膜,首先通过实验方法直接测得该阶梯梁的曲率模态,然后把曲率模态作为这组PVDF输出信号的加权因数,从而得到所需的模态坐标。实验结果表明,这种传感器设计方法是可行的,并且PVDF阵列式模态传感器具有在不均匀梁结构表面布置方便,能准确、方便的测出实验曲率模态,不受激励力位置影响,滤波效果好等优点。     

利用PVDF阵列测量结构曲率模态的实验

提出利用PVDF阵列直接测量结构曲率模态。在振动梁表面均匀布置一组PVDF压电薄膜,测量结构在外加点激励作用下的动态响应,得到频率响应函数,进而通过模态软件对数据进行分析,得到其曲率模态。数值分析和实验结果表明：利用PVDF阵列可以有效地测量得到结构的曲率模态,且方法与激励力位置无关。由于方法操作简便,PVDF压电薄膜附加质量可忽略不计,与常规通过模态振型计算曲率模态的方法相比具有明显优越性。     

PVDF压电薄膜的应变传感特性研究

PVDF压电薄膜是一种重要的智能材料。本文理论分析了智能材料——PVDF压电薄膜的应变传感机理；研究了PVDF应变传感器的制作与布设工艺；试验研究了PVDF传感元件在准静态和动态响应下的传感特性．得到了PVDF传感元件的电压灵敏度，并分析了PVDF压电薄膜的尺寸对灵敏度的影响。研究结果表明：PVDF传感器具有灵敏度高、线性度好、制作与布置工艺简单、面监测等优点．适用于土木工程结构的健康监测。     

振动固定板结构体积位移的获取

在低频时控制振动板结构的体积位移是降低结构总声功率的一种有效策略.提出一种阵列式压电式传感器的设计方法测量固定板体积位移.通过对PVDF传感器阵列输出信号设计的加权系数,使PVDF传感器阵列输出信号为相应结构体积位移.结果表明这种阵列式PVDF传感器的加权系数与施加在振动板表面的外激励力性质(如激励力类型、位置等)无关.并且分析了影响阵列式PVDF传感器的各种因素及其适应性.     

PVDF薄膜压电传感特性及其在工程结构监测应用研究进展

PVDF压电薄膜因其体积小、质量轻、稳定性高、传感灵敏度高、制作成本低等优点而被广泛应用于工程结构监测体系中。总结了PVDF压电薄膜基本特点、工作原理及静/动态传感特性,并指出其用作应变传感器在工程结构或构件局部监测中具有的优势;分析了以PVDF压电薄膜作为传感元件在工程实际监测中应用实例,最后对其在结构监测方面应用前景做了相关展望。     

对体积位移传感器的研讨

以不同边界条件的振动梁为例,提出通过分部积分方法设计特定形状的PVDF薄膜测量体积位移。这种分部积分方法得到的PVDF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。研究表明,可以把振动梁的边界条件分为两类,即一端固定一端任意和两端位移为零,对于每一类边界条件可以用一种特定形状PVDF传感器测量其体积位移。     

对体积位移传感器的讨论

以不同边界条件的振动梁为例,本文提出通过分部积分方法设计特定形状的PVDF薄膜测量体积位移。这种分部积分方法得到的PVDF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。研究表明,可以把振动梁的边界条件分为两类,即一端固定一端任意和两端位移为零,对于每一类边界条件可以用一种特定形状PVDF传感器测量其体积位移。     

封装厚度和位置对PVDF压电薄膜传感器电荷量的影响

近年来，聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器因可无源供电而得到广泛研究。PVDF压电薄膜传感器在使用时会进行封装，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜是常用的封装材料。为了探究封装材料厚度和封装位置对传感器响应电荷量的影响，设计了6种封装厚度和封装位置不同的传感器，在不同频率下测定其产生的电荷量。结果表明：在0～20Hz和80～100Hz范围内，选择100μm或125μm的封装厚度可得到更多的电荷量；封装位置同样会影响电荷量的产生。同时分析了封装位置影响传感器产生电荷的机理。     

通过阵列传感器获取固定板声辐射模态伴随系数

以固定支撑板为例,提出一种阵列式压电式传感器的设计方法测量前三阶声辐射模态幅值.在振动板表面布置一组形状相同的矩形PVDF(Polyvinylidene fluoride聚偏氟乙烯)薄膜作为传感器,根据所需要的声辐射模态伴随系数,通过对PVDF传感器阵列输出信号设计的加权系数,使PVDF传感器阵列输出信号为相应的声辐射模态伴随系数.结果表明这种PVDF传感器阵列设计与外激励力性质(如激励力类型、频率以及位置)无关,而且适用任意边界条件板结构.     

聚偏氟乙烯基复合材料的制备及介电性能

为有效改善聚合物基复合材料的介电性能,兼顾高介电常数和低填料量同时并存,采用以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体树脂,钛酸钡(BT)和石墨烯(GNP)分别为介电填料和导电填料,在BT-GNP/PVDF复合体系内部构建微电容器结构。采用溶液法和热压法制备GNP/PVDF薄膜和BT-GNP/PVDF复合薄膜。结果表明,BT和GNP填料在BT-GNP/PVDF复合薄膜中能够均匀分散,在薄膜内能形成明显的微电容器结构。陶瓷填料BT的引入,使微电容器结构更有利于提高BT-GNP/PVDF复合薄膜的介电常数。BT含量大于50wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜介电常数均不低于GNP/PVDF薄膜。BT含量为50wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜的介电常数高于BT含量分别为35wt%、60wt%和70wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜,最大值约为43,相当于GNP含量为0.8wt%的GNP/PVDF薄膜的1.5倍;BT含量为50wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜损耗角正切均小于其他体系薄膜,最大不超过0.09,最小约为0.02。BT-GNP/PVDF复合薄膜的电导率变化趋势基本一致,没有明显差异。      

具有多层结构的聚合物复合薄膜的介电和磁性能

采用旋涂法制备了 Fe3 O4/聚偏氟乙烯(PVDF)复合薄膜(A)、多壁碳纳米管(MWCNT)/PVDF复合薄膜(B)以及纯PVDF薄膜(P)。利用热压法制备具有3层结构的AAA、ABA及APA 复合薄膜。为了探究层状结构对复合薄膜介电和磁性能的影响,制备了单层膜A作为对比(厚度与AAA复合薄膜相同)。分别研究了薄膜的介电和磁性能。结果表明：由于界面效应,同等厚度的AAA复合薄膜较A膜而言具有较高的介电常数;以B和P薄膜替代AAA结构中间层薄膜后,其中ABA复合薄膜的介电常数高于AAA及APA复合薄膜,同时保持较低的介电损耗。对于磁性能,层状结构对复合薄膜的饱和磁化强度及矫顽力均无明显的影响,而ABA复合薄膜的饱和磁化强度高于AAA及APA复合薄膜,且ABA和APA复合薄膜的矫顽力增加。层状结构设计不仅能够调节复合材料的介电性能和磁性能,而且有利于不同纳米填料的分散,为制备多功能聚合物复合材料提供了一定的借鉴作用。     

聚偏氟乙烯结晶过程的研究

通过流延法制备聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜,用偏光显微镜观察PVDF球晶的生长过程.分析了结晶方式及降温速率对PVDF结晶过程中晶粒形态结构的影响.实验结果表明,选用等温快速降温的工艺更有利于得到结晶均匀性较好的PVDF薄膜.     

Effect of CoCl<Subscript>2</Subscript>–BaCl<Subscript>2</Subscript> fillers on morphology,dielectric constant and conductivity of PVDF composite for pressure sensing application

This present study focuses on the effect of addition of CoCl₂–BaCl₂ fillers on the β phase formation and dielectric constant in the PVDF composite films. The pristine and filler based PVDF films were prepared using solution casting technique. XRD analysis were carried out to investigate the crystalline structure in the prepared composite films. The surface morphology of the films were observed using SEM indicating the formation of agglormated structures. The UV–Vis absorption spectrum was obtained to investigate the effect of filler concentration on the optical band gap. The decrease in optical band gap with increase in filler concentration was confirmed from Tauc plot. The incorporation of filler significantly improved the ac conductivity. The dielectric study reveals the increase in value of dielectric constant from 10.8 to 42.3 as the filler content increased from 0 to 12 wt%. A pressure measurement set up was developed and voltage output was measured from the PVDF thin film sensor for variation in applied pressure.     

Pyroelectric PVDF sensor modeling of the temporal voltage response to arbitrarily modulated radiation

Our design of transducer arrays for custom pyroelectric sensors is mainly devoted to IR laser beam characterization and control. It benefits from some of the properties of PVDF film such as low cost, low weight, mechanical flexibility, chemical stability (inert), and compatibility of thick film interconnection technologies on metallized films. By using the temporal characteristics of the source intensity and starting from a standard equivalent one-dimensional model of a multilayer thick-film transducer in the frequency domain, we developed a computer model of the PVDF sensor that determines the temporal response to arbitrarily modulated radiation. The validation of the model accuracy has been carried out with a simulation procedure performed on a PVDF sensor designed for accurate beam alignment of low power laser beams. In this case, an iterative algorithm also was developed to estimate some thermal and physical properties of the front absorbing and the metallization layers that are generally barely known. We present a fitting procedure to determine these properties by using the temporal pyroelectric response to a square wave modulated laser diode that provides a reliable reference signal.     

压电传感技术在轮轨力实时监测中的应用探讨

目前轮轨力测试传感元件大多采用应变片,但应变片存在零漂、抗干扰能力差、测试系统稳定性差的问题,不满足高速重载铁路轮轨力实时监测对传感元件的要求,针对这一情形,提出了基于压电传感技术的轮轨力实时监测方法。首先,根据轮轨相互作用的特点和轨道系统约束条件,以及压电应变传感特性,提出了轮轨垂向力和横向力测试原理。然后,实验研究了PVDF压电传感器的动态特性、抗电磁干扰、抗零漂、可重复性等性能,并与普通电阻应变片进行了对比,论证了应用压电传感技术进行轮轨力实时监测的可行性。最后通过有限元仿真计算验证了所提出的轮轨力监测原理的正确性。     

基于FLANN算法的速度传感器动态补偿

磁电式速度传感器由于自身工作原理,其固有频率下限值受到结构和体积的限制.应用于振动测试时常需对其工作频带进行补偿扩展,以使其能检测固有频率以下的速度信号.本文针对磁电式速度传感器,建立了其动态数学模型,给出了一种基于函数链人工神经网络(FLANN)算法的动态补偿策略.分析对比了采用传感器输入输出设计的FLANN算法补偿器与采用零极点配置法进行动态补偿的效果.结果表明,采用FLANN算法设计的补偿器具有更小的补偿误差,且有效扩展了速度传感器的使用频带,很好地满足了工程上超低频振动测量的要求.     

Experimental study of the acoustical properties of polymers utilized to construct PVDF ultrasonic transducers and the acousto-electric properties of PVDF and P(VDF/TrFE) films

Several acoustic transmission and reflection technique measurements were carried out to determine mechanical properties (acoustic attenuation and velocity) versus frequency of polyvinylidene-fluoride (PVDF) and six other polymers. Acoustic measurements (0.5 to 12 MHz) included time-delay spectrometry (TDS; in which separate transmitting and receiving transducers utilize a swept frequency signal) and two pulse-echo methods (short tone burst echoes utilizing transducers with different center frequencies and Fourier analysis of echoes sent and received by damped transducers operating in the broadband pulse mode). Electrical impedance measurements of piezoelectric thin films of PVDF and P(VDF/TrFE) yielded comparable high frequency mechanical parameters. Of the seven acoustically examined polymers, PVDF had the greatest acoustic impedance, lowest acoustic velocity, and greatest mechanical loss (13.4 dB/cm per MHz). Polymethyl-methacrylate (PMMA; lucite) and polydimethyl-pentane (TPX) had the lowest loss. PMMA had the highest acoustic velocity, and TPX had the lowest acoustic impedance and a velocity almost identical to that of PVDF. These data are useful in the design of backing, matching, and lens materials to be used in association with PVDF transducers.