基于PVDF的低频超低频加速度传感器的研究

论文摘要

低频、超低频是一种常见的物理现象,广泛存在于各种机械设备、加工过程以及大型建筑物中。这种振动具有振动频率低,1Hz以下频率成分复杂,破坏力强等特点,因而对社会生产和生活造成了极大的危害,而超低频、低频的测量在国内外却无太大成效。因此,本文针对这种情况,在研究现有压电加速度传感器的基础上,提出了一种PVDF新型压电加速度传感器的设计理念和方法。PVDF(聚偏氟乙烯)是一种新型的高分子聚合物型传感材料,具有压电性能好、灵敏度高、声阻抗低、频响宽、易布设、耐腐蚀等优点。本文以PVDF压电薄膜作为敏感元件,建立了PVDF压电薄膜的等效模型与传感方程,为传感器敏感元件的设计提供了理论依据。建立了加速度传感器的数学模型和传递函数,对其频响特性进行了分析。研究了传统传感器的结构特点,提出了一种新的传感器结构,并对其结构的各个部分,即敏感元件、弹性元件和惯性元件进行详细的建模,并分析了各自的特点。另外,设计了传感器各部分的具体尺寸参数,讨论了传感器固有频率和灵敏度之间的制约关系,制作出了传感器实物。通过与标准传感器比较,研究了被测试传感器的特性,包括：电压灵敏度、频率响应特性以及电压灵敏度的非线性特性等性能指标,确定了传感器的频率工作范围。最后,关于进一步的研究方向进行了简要的讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及其意义
• 1.3 新型压电材料的研究现状
• 1.4 本论文研究内容
• 第二章 压电加速度传感器的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 加速度传感器的传统结构
• 2.2.1 常用测振传感器及其特点
• 2.2.2 压电加速度传感器的结构及特点
• 2.3 加速度传感器的数学模型和传递函数的建立
• 2.3.1 传感器数学模型的建立
• 2.3.2 传感器传递函数的建立
• 2.4 加速度传感器的频响特性
• 2.5 灵敏度
• 2.6 横向灵敏度
• 2.7 环境温度和湿度
• 2.8 小结
• 第三章 PVDF新型加速度传感器数学模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 PVDF压电薄膜的传感原理
• 3.2.1 压电材料
• 3.2.2 PVDF薄膜应变传感原理
• 3.2.3 PVDF等效电路与测量电路
• 3.3 平膜片的传感数学模型
• 3.3.1 膜片的基本概念
• 3.3.2 力学模型的建立
• 3.3.3 结构响应分析
• 3.3.4 非线性误差分析
• 3.4 惯性元件数学模型
• 3.5 小结
• 第四章 PVDF新型加速度传感器的研制
• 4.1 引言
• 4.2 新型传感器的结构设计
• 4.2.1 弹性元件的特性
• 4.2.2 弹性敏感元件的材料
• 4.2.3 传感器的结构
• 4.3 传感器的参数设计
• 4.3.1 平膜片参数设计
• 4.3.2 惯性元件参数设计
• 4.3.3 传力杆参数设计
• 4.3.4 外壳参数设计
• 4.3.5 PVDF压电薄膜参数设计
• 4.4 PVDF敏感元件的制作与粘贴
• 第五章 PVDF新型加速度传感器的性能测试
• 5.1 引言
• 5.2 测试原理
• 5.2.1 基本量之间的关系
• 5.2.2 灵敏度检验
• 5.2.3 幅值线性度检验
• 5.2.4 频率特性检验
• 5.3 测试系统的组成
• 5.4 测试数据分析
• 5.5 传感器性能指标
• 第六章 总结
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 第七章 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表论文与参与课题