基于PVDF的溫度感知器的設(shè)計與研究

顧川深 李明航 姜京辰

摘要：PVDF薄膜壓電系數(shù)受環(huán)境溫度影響較大且較為靈敏，可以通過該材料壓電系數(shù)的改變量得知環(huán)境溫度的變化，另外PVDF具有厚度薄、靈敏度高、機械柔韌性好等特點，可進行埋置式測量。結(jié)合以上兩個特點我們設(shè)計了根據(jù)壓電系數(shù)改變狀態(tài)對溫度進行感知的溫度感知器。

關(guān)鍵詞：PVDF;壓電系數(shù);溫度傳感器

Abstract： The piezoelectric coefficient of PVDF film is greatly affected by the environmental temperature and is relatively sensitive. The temperature change can be known by the change of the piezoelectric coefficient of the material. In addition， PVDF has the characteristics of thin thickness， high sensitivity， and good mechanical flexibility. Carry out buried measurements. Combining the above two characteristics， we designed a temperature sensor that senses the temperature according to the state of the piezoelectric coefficient.

Keywords： PVDF， piezoelectric coefficient， temperature sensor

1引言

壓電系數(shù)是表征壓電材料的重要性能參數(shù)，聚偏氟乙烯（PVDF）是一種新型高分子聚合物型壓電材料，其壓電系數(shù)數(shù)值大、靈敏度高、響應(yīng)快、機械柔韌性好、厚度薄，可做埋置式測量。目前壓電材料在對溫度變化的敏感程度上PVDF表現(xiàn)較為靈敏，根據(jù)這一性質(zhì)提出本文基于PVDF的壓電溫度感知器的設(shè)計。

2基于PVDF的溫度感知器的工作原理

在施加力恒定的情況下溫度與壓電系數(shù)的變化情況如圖所示（表一），由圖可知，PVDF的壓電系數(shù)隨溫度的升高而增大 ，但是因其熔點為160℃～170℃所以壓電系數(shù)不能無限升高。

應(yīng)用電源對壓電材料PVDF施加一固定電壓使其發(fā)生形變，在電路中加裝預(yù)定電阻使得PVDF上電壓保持恒定。當外界溫度發(fā)生變化時，PVDF壓電系數(shù)發(fā)生改變或高或低，這時與PVDF并聯(lián)的靈敏電壓表會感知到電壓的變化并在表盤上顯示出來。

3簡易電路圖

4基于PVDF的溫度感知器的優(yōu)點

（1）PVDF 良好的工藝性，可用現(xiàn)有設(shè)備進行加工，能制作大面積的敏感元件， 具有高沖擊強度（可使用于高強度場合）， 耐腐蝕性（在活性介質(zhì)中使用時這種性能是必需的）;相對介電常數(shù)較低;相應(yīng)較高的壓電常數(shù)值（比其它壓電材料高一個數(shù)量級以上）和熱信號靈敏度（p/ε）值;與壓電陶瓷相比有更低的導(dǎo)熱性; 并能制得更薄的薄膜。

（2）PVDF可做埋置式傳感器，更加節(jié)約空間和材料?？稍诓桓淖冊O(shè)備或待測物體的基本形狀的前提下進行溫度感知。

5結(jié)語

（1）該傳感器對于溫度變化更加敏感、感知更加準確。

（2）不改變大體結(jié)構(gòu)，簡易輕便。

（3）智能材料與結(jié)構(gòu)是近年來較熱門的一個研究課題。智能結(jié)構(gòu)是將傳感元件、驅(qū)動元件和控制系統(tǒng)結(jié)合或融合進基體材料中而形成的一種材料系統(tǒng)，它能夠感知外界環(huán)境變化并對這種變化做出主動響應(yīng)。PVDF 壓電薄膜是智能結(jié)構(gòu)中理想的傳感元件，由于其重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可粘貼于材料的表面，因而對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響很小，與結(jié)構(gòu)有著良好的相容性，并可在結(jié)構(gòu)中大面積使用。有人預(yù)計，21世紀將是智能材料時代，那么作為智能材料傳感元件之一的 PVDF 壓電薄膜必將隨著智能材料的廣泛應(yīng)用而在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域大顯身手。

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