《PVDF压电薄膜传感器的研究及其在PCBA模态分析中的应用.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PVDF压电薄膜传感器的研究及其在PCBA模态分析中的应用.pdf（77页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、分类一 号:UD C 注 l:.幸 刀孟 一-密 级:一粼杏一编 号:.,护J!A N G S UU N IV E R S IT Y硕 士 学 位 论 文MA S T E R.5D IS S E R T A T IO N论文题目:衬 叶 姊海 峰 傀p 私戏兰飞 触端应 丝 毖洛 应 用沁 撇 屯苦工 报教暇壑创帖一汀才学科专业:作者姓名:指导教师:神几 卉.劫盏r t圣,屯,)丹 钓了奸阵 二.,下.一 旧产节 刁.一-J-4学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留!使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅 本人授权
2、江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印!缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 口,在年解密后适用本授权书 本学位论文属于不保密 甲学 位 论 文 作 者 黯琳 指 0 狮 豁)!从州年 扩 月 乎 日乡 八 年翻 甘日独 创 性 声 明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果 除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学 位 论 文 作 :热 爵 夕日
3、期:昨 八PVD F 压电薄膜传感器的研究及其在PCBA 模态分析中的应用R esesr c h on P V D F P iezoeleCtr i C F ilmS en S0r an d ItsA PPl i cati on i n PC BA M odalA nal ysi s专业名称指导教师姓名赵洪利2009 年 06 月江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文摘要PV DF 压电薄膜是一种新型的高分子聚合物型压电材料,具有重量轻!体积小!结构简单!相容性好等优点,因此使用其做敏感元件对传感器的结构力学性能影响很小 利用 PV D F 压电薄膜制作各种传感器,一直是人们关注的热点目前为止
4、,国内外的研究人员已经制造了各种 PV D F 传感器以满足不同测试需要 本文分析了不同结构的压电加速度传感器和 PV D F 压电薄膜的压电性能,基于此开发了悬臂梁式加速度传感器,阐述了其工作原理以及前置放大电路的原理,研制了带有前置放大电路的PVD F 加速度传感器系统 采用实验与仿真分析的方法对 PV D F 悬臂梁加速度传感器系统进行了标定及动态性能的分析,实验结果表明,制作的传感器系统具有良好的频率特性!成本低!灵敏度高和质量小等特点,能够满足一定范围内加速度的测量要求模态分析技术作为获得结构动态性能的重要手段,与有限元分析技术一起成为结构动力学研究中两大支柱 通过模态分析,可以获得
5、结构的模态参数包括各阶固有频率!振型!阻尼比等 根据结构动态特性分析就可以对结构进行优化设计!故障诊断以及可靠性分析与估计 本文利用 PV D F 压电薄膜加速度传感器对PCBA 式样进行了实验模态分析,得到了其不同固定方式下式样的一阶固有频率和振型 并利用有限元分析软件AB A Q U S 对 PCBA 式样进行有限元模态分析,对其不同固定方式下的振动模态参数进行分析,并与实验模态的结果进行比较 最后,根据 PCBA 的模态实验结果,提出了一些 PCBA 设计的抗振原则和优化建议:可以采用增加固定点数量,优化固定点位置以及优化芯片分布位置的方法来提高其抗振可靠性;合理的简化模型,采用有限元分
6、析的方法可以对振动条件下 PCBA 的各种变形进行仿真分析,为 PCBA 的优化设计提供参考,可以为芯片在 PCB 板上的分布优化和可靠性分析提供理论依据;实验表明,利用PV D F 悬臂梁压电传感器系统对小质量薄板进行实验模态分析是可行的关键词:PVD F 薄膜,压 电传感器,PCBA,有限元分析,模态分析江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文ABSTRACTT h e Pi ezoelec t r ie Poly V i nyli d e ne F l uori de,PV D F,1 5 a ne whig hPoly l n ersensit iv e m a t er i a l.P
7、 V D F f i l mcan be select e d as the sen sor elem entbeeause of its lowdensi ty,f lexi b i li t y,good body c o m Pa t i b i li ty,sl i msi Z e,l o wc o st and t h e a b i l it y ofbei n g int e gratedintosenso r syst e m.5 0 it sef f ec t sof m ec hh ac sb eha vior of t h em ea s ur e d ob j ec t
8、 即Pea r to be neg l i gi b le.T h eresea r eh on sensorm a d e ofPVD F f ilm1 5a H Ot P oi nti n t h e w or id si nC eit,5di sc o vered#N ow,t h e r esearc h ersw or id wi de ha v ede v eloPed a l lk i n ds of P V D F f i lmsen sor st om eet w it ht h e needs in v ar i ous f i elds#h it h is Pa P er
9、,b a s edont h e st u dies of som ek i nds of Piezoelec t r iesensorsstr u C t Ur ea n d t h e P iezoelec t r i e c harac t er sof P V D F f i lm,t h et h eor yof t h e vi b r a tingaccelera t ion s e nsor w it ht h e ovet h a nging bea mstr u c t ur e15 i n Vestiga t ed.A nd t h et h eor yof t h eP
10、r e 一 a mPI近er cirC U it of P V D F sensor 15 a n a l y Zed.T hen t h eeir c uit,t h es e nsor a n d t h ew hol e exPer im entha v e been desi g n ed a n d i m Pl em en t e d.T七 r oug hc a lib r a tingt h eac c eler a tio nsensorsyst e manda na l ysis of thesystemd y n a mieP r o Pen i eS usin gex P
11、er i m ent a la nd em ula t i ontech niques,t h er e su l t sshowt h at t h es e nsorsyst em ha v eg o od f req u ency and hi g h sensi ti v i t y and t h e syst e m c a nm eett h en eed t om ea s ure t h e dy na mie P r o Per t ies of t h e Pla t eP at t er n.M od a ia n a l ysis t e cl mology15 t
12、h e m ost 加 P or t a n t m ea ns t oO bt a instr u c t ur edy l l a m i ePr o Per ties.T o get herw it h f inl t e el em enta n a i ysi s(FE A),t h ey ha v ebec o m et h e b邢 0 back b ones of st r U C t U r e dy n a m ics st o dy.D y n a m i e Pr o Per ti es(i ndudingnat u r a l f r e queney,vi brat
13、 ionm odelsha P ea n d da m Pi ng ra t i o etc)a r ega ined by m oda ia na l ysis.A ccor d ing t othese dyna mie P r o P er t ies,oPt i m a ld esig n,tr o uble s h ootingr e lia bility a na l ysis a n d estlm ate ea nbe r e aehed.I nth is Pa P er,the m oda l ex Per i m entoft h e Pr in t e d eir c u
14、 i t boar d assem bly(PCBA)Pa t t em1 5 Per f o r m ed a n d i n v esti gat edusing t h eP V D F f i lmsensor,the nat u ral f r equeney and m od a lsha P e i nt h ed if f erentf i xation m et h ods a r e gained.T he f i n ite elem ent m odel 15 c a rr i ed out b y the f i nit eelem ent a n a i ysis
15、sof t w are A B A Q U S/C A E,and t h e m ultista g e nat u ra l f r equ e ney a n dm oda lvib ration sha P e of PC B Aby dif f erent f i xation m ea n s are obta i ned.T hen t h em oda lP roP er t yof P C B A15 a n a l y z edthroughc o m P a r edw it hthe r e sult of t h eexPer i m ent m oda la n a
16、 l ysis.Fina lly,t hroug ha n a i y z i n g t heda t aofPCBA m odalexPer im ent s,s o m eu n i v er sa lf江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文a n ti一 v i b r a tion d e sig nr u le a n d ad vie ea r e Presented.T he P V D F f i lmsensor 15 f e a s i b let otest t h e exPer加 en im oda iof the P C B A,t h e f i n i te
17、elem ent m odelin ga n a i ysism et h od 1 5r e a s ona b l e,t hef i x at ion m ethodsofPCBA and t h e di st r i buti n gPosi t ion ofICaf f ec tt h e m od a iPara meter sg r eat ly,t h e m et h odof f i nite elem ent m odelin ga n a i y s is P r o vid e s t h eor e tic a lsu PPor t f o r t h edist
18、r i buted oPt i m i Z ation desig na n d t h ev i b ra t ion r e lia b ility r e searc hof PC B A.K ey w or ds:P V D F f i lm,Pie z oelec t r i c sensor,P ri n t e d eirc u itbo ar d s a s sem bly,F 而 t e elem enta n a l ysis,M od a i a na i ysis江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文目录第一章 绪论./././000000/.,.0000000000/
19、0/0./0000000:.11.1 振动测量中压 电传感器.,11.1.1 压电加速度传感器的结构分析.,11.1.2 压电加速度传感器的性能分析.,21.2 PVD F 压电薄膜传感器的研究现状.,31.2.1 国外研究现状.,31.2.2 国内研究现状.,51.3 选题背景和解决方案.,61.3.1 选题背景.,61.3.2 实验方案设计.,71.4 本课题研究的主要内容.,8第二章 PV D F 薄膜及其压电特性 二/./:.0.0000.,./:./:.0:.0./0.92.1PV DF 压电薄膜的制备.,92.1.1PV DF 材料结构.,92.1.2 PV D F 压电薄膜的制备
20、.,1 02.2 PV D F 薄膜的压电特性及响应.,n2:2 1 压电特性.,n2.2.2 PV D F 薄膜压电理论研究进展.,1 32.2.3 静态和动态响应.,1 42.2.4 PV D F 薄膜的优点和缺点.,1 52.3 本章小结.,1 6第三章 PV D F 压电薄膜加速度传感器设计 二/二000.,./,.1 73.1 PV D F 加速度传感器工作原理.,1 73.1.1 数学模型.,1 73.1.2 悬臂梁加速度传感器的工作原理.,2 03.2 PV D F 传感器前置放大电路的设计.,2 43.2.1 测量放大电路理论分析.,2 4江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文
21、3.2.2 前置放大电路设计.,303.2.3 整体电路图及滤波电路分析.,363.3 PV D F 加速度传感器标定实验.,383.3.1 实验原理.,383.3.2 实验过程.,4 03.3.3 实验结果及讨论.,403.4 本章小结.,4 5第四章 PV D F 传感器在PC BA 模态分析中的应用./.000.00 464.1 模态分析理论.,464.1.1 计算模态分析理论.,464.1.2 实验模态分析理论.,474.2 实验模态分析.,484.2.1 实验设备介绍.,484.2.2 实验模态分析.,494.3 有限元仿真分析.,5443.1简化与建模.,544.3.2 有限元分析
22、结果.,5 54.3.3 位置分布优化.,574.4 结果与结论.,584.5 本章小结.,58第五章 结论与展望.,/./0:.000000000000./0/././././5,5.1全文总结.,595.2 研究展望.,6 0参考文献.00.00.0/.0/0.00000 二 0/.000/0.000.0:.0/.0000/0/.,./:.6 1附录:.0./.0000000000.00000000.0000,.00.00.0.00/000/00.6 5致谢 0.00./0/./././二000.0.000.000 二000 二 0/00/./.0/././.6 7攻读硕士期间发表的论文及
23、参与的科研项 目二 00.0.000.00,0.0000 6 8江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文第一章 绪论1.1 振动测量中压电传感器压电式传感器是一种典型的有源传感器,其工作原理是基于压电效应,即压电材料在外力的作用下,其电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量的转换 振动测量时使用的传感器主要有压力传感器!速度传感器和加速度传感器,其中压电加速度传感器是在振动测试中使用最为广泛的传感器 在进行振动检测时,人们关心拾取被检信号的准确性,这就要求压电加速度传感器的一些性能指标如灵敏度要大,有一定的频宽范围,且其它影响因素要小 1.1.1压电加速度传感器的结构分析众所周知,用于振动检测的压
24、电加速度传感器可分为压缩式和剪切式l l 压缩式压电加速度传感器主要有中心压缩式和倒装中心压缩式,如图 1一 1所示一一 户下声 日 J目 J 沪,J 口口l l l-兰-s e,外壳质量块压电片压电片外壳后晕块基座基座伪)图 1一 1 压缩式传感器(a)中心压缩式伪)倒装压缩式F ig l一 1 C om Pr e ssion senso r(a)Cent erc o m Pr e ssi on se n sor(b)I n ver ti n geom Pr e s s i on s e n s or压缩式压 电加速度传感器的敏感元件直接安放在传感器的基座上面,由于是面与面的接触,所 以能强
25、烈感受到来 自被测对象的振动量,同时也包括一些干扰信号 压缩式压 电加速度传感器的特点是:机械加工简单!装配方便!输出灵敏度较高和成本低 但是,由于装配时产生的误差,长时间的使用以及承受较大量夕江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文级的振动后,使紧固压电片和质量块的预紧螺母与螺丝之间产生松动,以及因预紧螺母 自身平面的垂直度不好而引起的整个压电片工作面与加速度计基座的接触不理想!不可靠,都会带来性能与测试的误差 剪切式压电加速度传感器则有环形剪切!平面剪切和三角剪切 如图 1一 2 所示,剪切式压电加速度传感器的敏感元件是以线接触的形式垂直的固定在传感器的基座上,且与传感器的底座完全隔离,因此
26、不会直接感受被测对象的振动量;加之紧固压电片和质量块的并不是预紧螺母与螺丝,所以剪切式压电加速度传感器的横向灵敏度和各项环境灵敏度要比压缩式小得多外壳一质量块外壳压电片质量块压电片质量块压电片基座夔夔夔 叠叠 l l l基座绝缘体伪)些些些基座图 1一 2 剪切式传感器(a)环形剪切 和)平面剪切(c)三角剪切F i gl一 2 S hea rsen sor(a)Ci r c l e s hea r sen s or(b)pl a n e shea r sen s or(c)T r i ang l eshearse n sor1.1.2 压电加速度传感器的性能分析对压缩式加速度传感器的压电片压
27、电系数 由3测试时,发现在同一片压电片表面的各个点上测得的d33值不一样,有的相差甚多 这是因为材料制备因素引起的误差,这也直接导致了压电加速度传感器的输出不均匀性 具体地说,由于结构的关系,在其它条件相同的情况下,平面压电片的表面积越大,加速度传感器的输出灵敏度就越高,因此,往往采用加大压电片面积的方法来增加压电加速度传感器的输出灵敏度 但是,表面积的增大也会让这种不均匀性更加明显,这直接影响压缩式压电加速度传感器的输出灵敏度 不过,由于压 电片是整个表面感受振动信号,所 以这种有缺陷压 电片与正常的压电片相比,短时间内带来的测试误差不会很大 剪切式压电加速度传感器的压 电片由于江 苏 大
28、学 硕 士 学 位 论 文其压电片是以垂直于振动面的方式!以线接触的形式安装在加速度传感器的基座上,所以不均匀性产生的可能性就大大减小了总之,剪切式压电加速度传感器,其灵敏度要优于压缩式压电加速度传感器 如果压缩式压电传感器的压电片在制备过程中采用纳米技术,在压电平面的研磨中,保证其平行度在 0.o o Zm m内,对其极化时严格控制极化电压,装配前对压电片再逐一进行性能测试,则可较好的改善其性能.2 PV O F 压电薄膜传感器的研究现状1%9 年,日本K滋 w a i 发现高分子材料聚偏氟乙烯印o l y v i n y l i d e n e f lu o r id e简称 PV D玛具
29、有极强的压电效应,同年,美国研究了聚氯乙烯等聚合物的压电性及提高聚偏氟乙烯等聚合物活性的方法,并设计水下音响装置!压力传感器和压电打火机等器件1 2 1 由于PvD F 薄膜具有压电性能强!声阻抗低!频率响应宽!质量轻!柔性以及加工性能良好和价格低廉等优点,引起了各国学者的极大兴趣,并在制备工艺!性能和实际应用方面都进行了深入广泛的研究 2.1 国外研究现状自从发现 PV D F 薄膜具有压电特性以来,国际上就对该材料进行了深入的研究 目前,在日本!美国和欧洲等地区己经取得广泛的进展,其产品己经应用在各个领域(1)力学测量方面由于 PVD F 压电薄膜具有很强的压电性能,其电荷压电常数 d 比
30、石英高 1 0多倍,电压压电常数 g 的值比PZ T(压电陶瓷)高约2 0倍,在力学测量方面的研究成为基本方向之一 如利用 PVD F 压 电薄膜的电荷输出与应变成正比的特性可 以测量结构的应变 洒山 dra nP 等人将 4 片方型 PVD F 压电薄膜片粘贴在梁上测量梁的应变大小,并将其转换成结构的声强做为误差信号对梁的振动进行主动控制l s A.v sh i r ino 和 w K sc h om br u g 用 Pv DF 压电薄膜研制了一种新型的!价格低廉的压力传感器,用该传感器检测各种气压!液压系统中使用的换向阀是否失效,从而减少了失效阀门的修理和维修的费用 且这种传感器不但能检
31、测腐蚀性江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文小的流体,而且可以选用不同的涂层电极的PV D F 薄膜,对腐蚀性强的强酸强碱性流体进行检测 4 1(2)结构模态测量方面由于PV D F 压电薄膜有其特殊的积分特性,利用PV DF 压电薄膜对结构体的结构模态测量研究也是人们感兴趣的方向之一 Ron g l ia n g C h e n和 B o r T s uen釉 ng 曾利用方型PV DF 压电薄膜粘贴在悬臂梁和简支板上测量其固有频率!振型和模态阻尼比1 5 1 Cu h a t.D 和D a v ie s.P 基于模态测试的原理,使用 PVD F 压电薄膜形状传感器来测量弯曲振动梁表面的应
32、变 以前,对此类传感器的研究主要集中于经典边界条件下的均匀结构,现在他们提出了用实验方法设计 PVD F 薄膜形状传感器可以对任意边界下不均匀欧拉一 伯努利梁进行检测l 6 (3)医学测量方面PV DF 薄膜的出现为解决医学检查问题提供了一种新的途径 Ja v a d D a r g a h i和Ram i n se d a g ha t i 等人利用Pv DF 薄膜具有机械柔性的特点,开发了内窥镜检查用齿形触觉传感器,可用于对敏感性组织的力和柔顺性进行测量,为医学上敏感组织的力和柔顺性测量提供了一种方法门 sa m ji n ch o i和z h ongweiJ ia n g 研制了一种新型
33、佩戴式心肺信号检测设备,用于检测在家庭环境中睡眠时的心肺信号状态 此传感器由一对导电织物薄板和 PV DF 薄膜组成,传感器采集心肺信号,经过特殊的信号处理电路,由U SB 通信模块与计算机传递信息,最后计算机进行数据处理分析 实验证实这种佩戴式心肺信号检测系统具有更大的潜力,有能力代替商业呼吸记录仪和心电图仪器I 8 (4)触觉测量方面触觉传感器一直是现代 自 动化机器人研究的重点,最近,模拟人手感觉工作的PV D F 触觉传感器己用在机器人上 PV DF 压电薄膜受力后产生电荷,它按电荷量的大小和分布来判别物体的形状,同时与机器人的抓取系统协调工作l 9 Y o on J 和Y uK e
34、e H o等人用 PVD F 压电薄膜做成 8x s 的触觉传感器,测量的信号经过 D SP 数字化处理和滤波处理,传输给个人计算机并进行可视化处理,由计算机模拟出二维或三维图形,可 以实时得到被测物体的形状和力的分布状况10 1江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文(5)能量采集方面能源问题是当今的一个重要课题,现在,人们正在尝试利用 PVD F 薄膜对各种能量进行采集和转换 如 H auSle;和s t ei n 利用 PVD F 压电薄膜制作的换能器,将 Pv D F 薄膜植入动物体内,将动物呼吸产生的机械能转换为电能 l1 采集环境中的振动能量装置正在研发之中,如应用收集波能的理念将
35、PVD F 薄膜制成换能器,可以从小溪!河流或者管道的流水中采集能量并转换为电能,可以给边远山区的小功率充电电池进行供电l l z 通过将压电元件置入鞋跟,可以将步行的能量转化为电能-311.2.2 国内研究现状自从上世纪80 年代我国研制出PVD F 薄膜以来,大多高校和科研院所都进行了PV D F 压电传感器的研究工作 近年来,随着国内经济的迅速发展,PV D F薄膜传感器的研究取得了突飞猛进的进展,部分研究成果己经实现了产品化 在结构测量方面,江苏大学的吴锦武,姜哲利用正弦函数展开式来近似计算固定板振动位移,通过设计特殊形状的PV D F 压电薄膜,使 PVD F 输出信号作为所需要的振
36、动结构体积位移的函数 研究结果表明,这种体积位移传感器不仅适用于四边简支!四边固定以及介于两者之间的边界条件薄板结构,而且作为一种误差传感器可 以测量振动结构体积位移1 1 4 在应力检测方面,重庆大学的刘建胜!王代华将 PV D F 传感器固定在桥索端部,通过监测桥索的应变得到振动参量,实时监测分布于大桥上的桥索张力变化 在线监测桥索的张力就能掌握斜拉桥各部分的载荷分布及其变化情况,实现斜拉桥张力的在线测量,从而为确定大桥是否处于正常运营状态提供依据 l 5 大连理工大学的王莹,黄一,藤本 由纪夫等利用 PVD F 压 电薄膜输出电压和它所受到的应力应变之间的关系设计了各 向同性传感器,并对
37、结构裂纹的应力与应力强度系数进行了测量1 1 6 1 在医学方面,山东大学王国力,赵子婴等从模拟中医脉搏诊断的角度,研制了同时感受寸!关!尺兰部位脉搏信号的仿生手诊用的Pv DF 压电薄膜传感器,修正了电荷放大电路和其它信号调理电路,又对得到的脉搏波形进行整形,并专江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文门进行了消噪处理,提高了测量的灵敏度,有效地抑制了非线性失真=1 刀武汉工业学院的胡涛提出了一种新型的 PV D F 压电薄膜压力分布计算机测试系统,包括多点压电薄膜传感器!多点电荷放大装置和数据处理系统等几部分 该系统可以实现全场实时测量,其动态范围可达 0.1 50 0 比;采用微机输出独特
38、的图像动画,使测量结果更为直观,为动态接触问题的研究及振动测试提供了新的研究方法 l 8 l此外,微型化!小型化和无线传感器是PV D F 传感器研究的又一个主要的方向1 19 1 总之,在国内外对 PvD F 薄膜的研究在各个方面己经取得了实质性的进展,为PV D F 薄膜产品广泛的开发!生产和广泛应用提供了良好的实验理论基础,.3 选题背景和解决方案1.3.1选题背景随着电子产业的发展,印刷电路板组件(PCBA)越来越广泛地应用于各种恶劣的环境,如航空航天!矿山机械以及农业机械等 然而,在恶劣的环境中,振动冲击对封装件的影响很大,据统计,在导致机载电子设备的故障中,振动因素己经占到 2 7
39、%=2 0 ,而印刷电路板组件又是振动失效问题的核心 在振动环境下,PCBA 对振动的敏感性已经影响到整板的性能和系统的稳定性 一般来说,为了避免共振现象,系统的固有频率应避开振动激励的频率,两者比值应大于2.5,称其为倍频法则 但在宽带振动环境中,这是达不到的,只能通过降低共振峰值!传递率和相关祸合率 z l 来避免共振现象 因此,为保证其可靠性,需采用不同的元件分布方法和整板固定方法进行优化,提高其一阶固有频率和减小芯片的变形,使其工作在非共振条件下,减少因振动带来的 PCBA的失效问题 PCBA 形状各异,质量小,因而对其进行振动可靠性分析时,需要选用质量小的传感器 但是质量小的传感器价
40、格昂贵 本课题尝试利用 PVD F 压电薄膜与悬臂梁结构制作一种价格低廉的实验用悬臂梁式加速度传感器,并对 PCBA 式样进行振动实验模态分析和有限元模态分析,通过对比两者实验数据,为 PCB A 的结构优化设计提供参考 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文1.3.2 实验方案设计利用 PVD F 薄膜的压电常数大!响应快!质量小以及制作方便等特点制作悬臂梁式振动加速度传感器及设计后续信号处理电路 在实验室中,利用制作的传感器对PCBA 式样进行实验模态分析 采用实验模态分析和有限元模态分析方法测得PCBA 式样在不同固定方式下的动态参数:固有频率!模态振型(1)悬臂梁式加速度传感器本课题采
41、用的压电敏感材料是PV DF 薄膜,由于其柔软性,所以制作剪切加速度传感器有一定的难度 从对压缩式加速度传感器的分析可知,若制作压缩式传感器,对结构的精度要求高,因此加工比较困难 本文利用PV D F 薄膜具有质量轻,柔性好和易加工的特点,将薄膜粘贴在刚度好且质量轻的悬臂梁上制作悬臂梁式加速度传感器,其结构简图如下:电极引出线悬铃梁支座7 7-一-图 1一 3 悬臂梁式加速度传感器结构Fi g l一 3 s t r u 川 t Ureo f t h e c a n t i le v e r a e ee le r a ti o n s e ns o r根据工程力学与PV DF 薄膜的压电特性,
42、可推出振动时PV D F 传感器的电荷输出量与加速度的线性关系 悬臂梁式加速度传感器结构有如下优点:1.由于悬臂梁传感器可以采用质量轻!弹性模量适当的材料(如聚酷类材料)制作,所以传感器的体积小,质量小,减少了在振动测试中因传感器带来的附加质量对被测物的影响 2.由于悬臂梁部分的长度可以影响传感器的固有频率,所以可以根据测量要求选用不同的悬臂长度,满足不同的频率测量范围 3.由于横 向几乎不受到约束,横向伸缩对传感器的影响比较小,所 以传感器的横向灵敏度可以忽略不计(2)PCBA 模态实验江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文将制作的 PVD F 传感器粘贴在 PCBA 式样上,采用单点激励技
43、术中的锤击脉冲瞬态激励方法进行实验模态分析 将 PV DF 传感器的输出信号和力锤输出信号输出给电荷放大器(或者电荷放大电路),然后输出到动态信号测试分析仪,最后输入到计算机 利用振动分析软件和模态分析软件进行数据处理,得到各种不同固定方式下的模态振型和一阶频率 利用有限元分析软件对PCBA 式样进行有限元模态分析,经过对实验模态和有限元模态的结果进行对比分析,最终得到实验结论,并提出PCBA 抗振设计的优化方案.4 本课题研究的主要内容在分析 PVD F 薄膜压电性能和悬臂梁加速度传感器结构的理论基础上,制作了适用于测量 PCBA 式样动态参数的加速度传感器系统,并对 PCBA 式样进行实验
44、模态分析和有限元模态分析 本文研究的主要内容如下:1.介绍 PVD F 压电薄膜传感器的最新研究应用进展情况,分析压电性能及优缺点,了解其压电原理,为使用 PVD F 薄膜制作传感器提供理论基础 2.对 PV D F 薄膜悬臂梁传感器进行理论分析,制作悬臂梁式加速度传感器,并采用对比标定的实验方法对传感器系统进行标定和动态性能分析 3.详细介绍 PVD F 传感器的前置放大电路的工作原理,根据实验要求制作放大电路及其它信号处理电路,并采用实验与仿真的方法对制作的前置放大电路进行动态性能分析 4.介绍 PV D F 传感器用于PCBA 模态测量的实验模态过程,以及用有限元分析软件对 PCBA 式
45、样进行有限元模态分析,得出不同固定方式下的固有频率和一阶振型,证实 PV D F 传感器用于小质量 PCBA 模态分析是可行性的,并提出PCBA 抗振优化设计的建议 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文第二章 PV D F 薄膜及其压电特性当某些材料受到外界的机械应力时,材料的表面产生电荷,并且数量与应力的大小成正比,称这种材料为压电材料 通常的压电材料分为:压电晶体,压电陶瓷和压电聚合物 自从 18 8 0 年法国的J a C q ues和 Pi er r eC u r ie 在研究石英晶体时发现压电效应以来,至今已经有 10 0多年了 直到 1 9 69 年,日本 Kaw a i 发现高
46、分子材料聚偏氟乙烯具有极强的压电效应,使压电聚合物的研究发生了历史性的转折此后,关于压电聚合物的研究应用引起广大学者注意,在制备工艺!压电性能!理论和应用方面都做了深入广泛的研究 2,1 P V O F 压电薄膜的制备2.1.1PVD F 材料结构PVD F 是由c F ZCH Z键接成的长链分子,分子量为 1护数量级,1护个重复单元,伸展长度为 103一 1少I u n PVD F 通常是半结晶高聚物,结晶度约为50%,PvD F存在着多种结晶形态目前,己测得的 PvD F 晶型有四种1 2 2 ,即 I型(p相)!n型(a相)!m 型臼相)!I V 型(6相)图2一 1 为Pv DF 的四
47、种晶型的结构示意图在p相(I型)结构中,晶体的每个晶胞中通过两个分子链相连,分子链为竹 构象(平面锯齿形),C F:偶极子朝同一方向,分子链在 b 轴方向相互平行排列,因而具有较大的自发极化,其单体偶极矩为7.0 x 10一3 0C.m,自发极化强度 P s为130 mc m 一2所以说p相是一种极性晶体,经过极化处理后,晶粒的 b 轴会更好地沿着极化方向取向,这一点是PVD F 具有大的压电效应的根本原因a相(n 型)是四种晶体中能量最低!最稳定的结构 PV DF 由液态缓慢冷却或由溶液流延形成薄膜时,通常都形成a相 尽管a相势能最低,但各相间势能差很小因而在适当条件下,各相间可互相转变 在
48、不同的热处理条件!机械应力!外加电场甚至选择不同溶剂时,都可形成不同的晶相 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文才4_今IA9 59 入才人匕._,.卜 尸:一0 料/b一 沐5扮扮 味味,麟 九9.64A图 2一 IPV DF 的四种晶型结构示意图F ig Z 一 1 D iagr a l n of er y sta l li tes str u ct o r eo fP V D F2.1.2 PVD F 压电薄膜的制备PVD F 压电薄膜从 PVD F 材料到压电薄膜的制造工艺 2 3 一般包括以下几部8.!/._ 二1 成仪r.一._ _l/:白f_ _.:_:PV D F 树脂 卜
49、一 门 叫 PV D F 溥膜 卜 熟黔叫p型溥顺!冬 蟀 州!电-,8图 2一 Z PVD F 压电薄膜的制备工艺Fi g Z一 2 5加Pl ePr o c e s s e s o f m anu f a ct u r i n g PVD F Pi ezo一 f i l m如图2一 2 所示,一般制备PVD F 压电薄膜的方法为是将纯 PV D F 粉料用热压法!熔体注塑法等1 2 4 1 制成厚度为4 0 一13 0 阿 的初始膜,在温度为 6 5 一 12 0 e 进行单轴拉伸,拉伸比为3 5,使材料晶区由a相转变成p相 然后在 1 3 0一 1 5 0 e 退火半个小时,退火工艺使拉
50、伸时受到的损伤得到恢复,并消除内应力,防止薄膜收缩,得到 PVD F 薄膜 将得到的薄膜置于 80一 11 0 e 的恒温场中进行镀电极,电极可以为铝电极或银电极 最后,以50 0 一 so o KV/a叮的极化电压进行极化处理,处理时间为 0.5一 1 小时,再冷却至室温撤去电场,得到压电薄膜 在制作过程中,拉伸和极化是制作 PV DF 压电薄膜的关键工艺拉伸是使Pv DF 由a相转化为p相的主要方法 PvD F 的压电性能随着 p 相含量的增加而增10江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文强 所以p 相的含量直接关系着传感器的传感性能 拉伸一般在 6 5 一1加 e 之间进行,随着温度的升