图2.6 基座部分
图2.6是夹持装置的底座部分。其基本尺寸为: ,螺纹规格为 5782 [29],在基座上扣一个形如PVDF压电薄膜的正方形,深3mm。
图2.7所示的夹持装置的上盖板部分。它的作用是和底座一起夹住PVDF膜,同时,上盖板是直接受力结构。其尺寸与底座相配套。上盖板的突出部分需要多出1mm,即总的高度是4mm,这样就可以防止上盖板的其他部分与底座接触,导致在施加应力时有干扰产生。
图2.7 上盖板部分
2.5 传感器封装
由于在最后做实验时需要进行靶场弹丸撞击实验,所以需要对已设计的夹持装置封装进传感器里去。在封装时需要对PVDF膜施加一定的预紧力,来保证上盖板对PVDF膜的挤压能够平稳和紧贴,防止在实验时由于未施加预紧力而使上盖板与PVDF不完全接触,导致误差的产生。
所以在封装时,在底座与上盖板之间使用螺栓紧固,同时利用螺栓提供预紧力,使上盖板能够将PVDF膜压紧压平。螺栓采用的是 5783——2000。
根据PVDF膜压电特性,在冲击力作用到上盖板的瞬间,通过力的传递(假使力在刚性材料内传递无衰减和无其他干扰),PVDF膜也会受到一个相同的应力作用,
则会产生压电效应,在PVDF的上下表面会产生电荷信号,为(5)
电荷密度为 (6)
其中A为传感器的有效面积,A=169 。
依据式(2),PVDF压电薄膜在厚度模式下的压电方程就变为
综合以上各式可以得到 (8)
3 测量电路设计
3.1 PVDF膜的电路模型
PVDF膜压电传感器的输出电荷量很小,内阻抗十分高,抗电磁干扰的能力也较差,要测的传感器的输出信号必须利用信号调理电路。
为加深对电荷测量信号调理电路的认识,有必要首先了解一下PVDF膜的两种最简单的测量电路。第一种测量模式是电荷模式,将PVDF膜传感器与一个电阻和一个电容串联,如图3.1所示。
图3.1 电荷模式
第二种测量模式是电流模式,是直接将一个电阻与PVDF串联,如图3.2所示。
图3.2 电流模式
在实际测量中,由于需要首先进行标定,所施加的信号较小,故需要加放大电路,同时为减小电磁干扰和减少共模抑制比,有需要增加滤波电路。考虑到各种干扰与系统误差的存在,可以得到一般的PVDF膜传感器电荷放大器电路等效电路,如图3.3所示。
图3.3 电荷放大器等效电路
其中 是传感器的绝缘漏电阻, 是运算放大器的输入阻抗, 是电缆等效电容, 为传感器等效电容, 是放大器输入电容, 是并联在反馈电容两端的漏电阻, 为反馈电容。
假使运算放大器的开环增益为K,压电传感器自身的供电角频率为 。忽略PVDF膜传感器的漏电阻 ,并联等效电阻 后,可以得到输出电压
(9)
其中 是反馈电阻等效到放大器输入端的有效电阻,其值为
(10) 基于PVDF膜的动态力测量传感器设计(6):http://www.youerw.com/jixie/lunwen_4395.html