原创《PVDF超声检测传感器原理和应用》：此文是一篇传感器论文范文,为你的毕业论文写作提供有价值的参考。
[摘 要]本文介绍了聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜材料的优缺点、传感机理、制备方法及其应用.基于有限元方法研究PVDF圆膜并分析影响其声学性能的因素,设计偏聚氟乙烯梳状传感器,探讨其在薄钢板检测超声导波的性能.
[关键词]PVDF 压电薄膜材料 梳状传感器
一、引言
目前,国内在激光超声波检测方面大多局限于声场理论的探讨,需要新的检测技术来测量高频超声波,如阵列传感接收装置.阵列检测不仅能同时检测多个不同位置点,而且能够产生检测对象的图像.阵列检测技术既能提高检测质量又能减少检测时间.PVDF是一种半结晶性聚合物,由CF2CH2长链分子构成,广泛应用于航空航天、铁路、石油化工等现代工业领域.新型PVDF材料具有良好的力学与压电性能,适用于制作声波的接收器件,开发新型PVDF阵列的超声波接收传感器件具有下列优势：①成本比相控阵检测技术要低；②可用于测量薄膜材料的力学参数；③通过成像技术能够得到薄膜材料亚表面特征和多个力学参数.本文对PVDF压电薄膜材料的优缺点及传感机理等进行概述,研究PVDF圆膜及其影响因素,并设计梳状传感器,探讨其超声检测性能.
二、PVDF压电薄膜
（--）PVDF压电薄膜的优缺点
PVDF材料压电应变常数低,机电耦合系数较小,压电电压常数高,具有极高灵敏度；PVDF薄膜厚度极薄,可紧贴于物体表面,几乎不影响被粘物体结构；介电强度高,电场耐受力强,在强电场下仍可保持原有性能；声阻抗低,可有效防止声波信号失真；材质软,易加工,可制成大面积阵列传感器和各种不规则形状传感器；热电性强,可制成火灾报警器、防盗报警器、非接触温度计等.此外,PVDF薄膜还具有频响宽、热稳定性好等优点.
(二)PVDF压电薄膜的传感机理
PVDF压电薄膜受力形变产生极化电荷,极化电荷的大小与分布与物体形变密切相关.在零外电场情况下,PVDF压电薄膜的输出信号是它在各方向的应变总响应,强度较弱,须经运算放大器放大后,才可进行后续处理.
(三)PVDF压电薄膜的制备方法
PVDF压电薄膜制备方法有有流延法、匀胶法、小分子蒸发镀膜法和压膜法等.其中流延法对设备要求较低,成品致密性好,强度高,因此成为最常见的制备方法.将PVDF溶于定量的N-*吡咯烷酮（NMP）中,经过滤、真空除气泡、升温蒸发等操作,除去NMP,在流延皿上形成一层薄膜,即为原始的PVDF薄膜.经拉伸、极化等后续工艺,可制得具有高压电性的PVDF薄膜.
(四)PVDF压电薄膜的应用
（1）检测结构损伤.通过测量PVDF压电传感器输出电压,可有效准确地检测结构损伤.例如利用PVDF压电薄膜可面检测和响应速度快的特性,可检测金属构件中裂纹的萌生、扩展及其断裂的可能性.
（2）力学测量.根据PVDF传感单元的位移输入与PVDF的压电性能方程,基于力、电两个物理场相互作用建立耦合的动力学方程,可分析电信号与位移应变量之间的定量关系,得到电信号输出结果.例如以传感方程及偏转角相关研究为基础,将经典梁作为研究对象,根据梁的振动特性,设计正弦型PVDF压电传感器,测量梁的位移、角位移、应变等多种物理量.
（3）医学检测.PVDF压电薄膜具有良好的机械柔性,可制成微创手术钳,有效检测目标器官内有无肿瘤及肿瘤准确的位置与大小；此外,PVDF压电薄膜还可用于人体远程监测,实现脉搏远程测量,实时掌握患者身体状况.
三、PVDF压电薄膜的研究方法
(一)PVDF薄膜有限元模拟
在ANSYS有限元软件中,将PVDF圆膜设计在两壳体之间,使其固定并施加张力,圆膜极化后呈现各向异性.检测信号采用100KHz～500KHz的高频信号,振动模式设为圆膜径向伸缩振动.利用有限元模型对PVDF薄膜进行谐波响应分析,结果表明,PVDF圆膜在高频段及固定边界条件下可发生相对单一的谐振,满足超声检测所需发射和接收特性的需要.
(二)PVDF薄膜特性深度探索
研究薄膜直径与厚度对PVDF薄膜发射、接收信号声压级与灵敏度级的影响.薄膜直径增加,谐振频率减小,声压级与灵敏度级峰值减小、峰值对应频率减小；薄膜厚度增加,谐振频率无明显变化,声压级和灵敏度级峰值略有增加.可见,薄膜直径对PVDF薄膜性能影响较大.
四、PVDF梳状传感器的设计及性能研究
(一)梳状电极的设计
设计参数时,主要考虑了指条宽度a、指条长度1、指条间距d、指条数目n、周期节距s和电极宽度m.PVDF薄膜的峰值响应所需激励频率较高,因此PVDF薄膜无法在低频区域被激励.以氨蚀的方式,可有效解决这一问题.
(二)梳状传感器的安装
以梳状电极为正极,钢板为负极.将钢板擦干净,用氰基丙烯酸盐黏合剂将PVDF薄膜与钢板粘合,正、负电极与PVDF薄膜相连.采用单向换能器结构为传感单元,针对激光激发的宽频带特征,采用多抽头延迟线的设计表面波传感器件.
五、结论
本文从优缺点、传感机理等方面概述了PVDF压电薄膜材料；建立了有限元模型以研究敏感元件PVDF圆膜,分析了其声学性能的影响因素；設计了偏聚氟乙烯（PVDF）梳状传感器.在本文工作的基础上,下一步将对PVDF超声传感器进行更深入的探索,研究并改良PVDF超声传感器的制作工艺及性能检测方法,改善国内在该领域研究的薄弱环节,提高我国基础研究的国际竞争力、带动新兴学科的建设与发展、培养高级研究人才队伍,发展和推动我国的研究水平和创新能力有着现实意义和必要性.
传感器论文参考资料：
结论：PVDF超声检测传感器原理和应用为关于本文可作为相关专业传感器论文写作研究的大学硕士与本科毕业论文传感器有哪些论文开题报告范文和职称论文参考文献资料。
