[发明专利]物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器及制作方法

说明书

本发明属于实验力学测试技术领域，具体是一种物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器及制作方法。包括压电膜元件和绝缘垫平层，绝缘垫平层中心位置设置有嵌入孔，压电膜元件嵌在嵌入孔内并与绝缘垫平层形成传感器芯层，传感器芯层的上下两侧为纤维聚合物电极，纤维聚合物电极与压电膜元件及绝缘垫平层通过纤维聚合物电极的表面粘性进行粘结固定，纤维聚合物电极的外侧设置绝缘保护层，上述结构共同构成薄膜结构，薄膜结构周向对称开设若干个法兰固定孔，薄膜结构通过法兰固定孔与法兰固定连接，法兰中部开设的法兰孔为压力加载区，法兰上设置有连接点封装端，连接点封装端内封装有引线连接点。

技术领域

本发明属于实验力学测试技术领域，具体是一种物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器及制作方法。

背景技术

以PVDF及其复合材料压电薄膜（以下简称压电薄膜）为敏感元件的薄膜式压力传感器具有频响宽、动态压力测试范围大、力电转换系数高、柔性和生物界面相容性好等优点，被广泛应用于结构表面、材料内部界面、生物体体表等位置的冲击压力测量。目前压电薄膜类压力计的制作主要采用夹芯式结构，即压电元件位于两片电极之间，两侧电极之间采用胶黏等方式进行粘合。设压电薄膜面内两个正交方向为1和2，面外法线为3方向，目前薄膜型压力计的主要测量原理是利用传感器面外受压应力 f₃₃与面外3方向电荷输出量 q₃之间的线性关系，通过检测面外3方向的输出电荷量对所受压力进行测量计算。当前研究表明，压电薄膜仅在10¹~10³MPa压力范围内具有良好的力-电线性特征，在过高（≥10³MPa）和过低（≤10¹MPa）的压力范围内则具有明显的非线性特性，不利于准确测量。

市面已存在压电薄膜型压力传感器主要用于幅值较高的动态应力波、冲击波的测量，而空中爆炸作用于柔软生物体表面或单兵装备上的冲击波压力一般为10^-1~10¹MPa，作用时间仅为10^-3~10¹ms，具有幅值低、加载速率高、非线性强等特征；利用传统压力计面外受冲击波压力测量，而对于空气冲击波等低压力，仅靠压电膜面外压缩产生电荷量过小，传感器灵敏度过小，信噪比和测量精确度过低。另外，空气冲击波在界面上入射/反射时存在空气可压缩等强非线性过程，反射规律较为复杂，结构表面的响应会在一定程度上影响与其粘连在一起的薄膜传感器的力-电响应，从而引入非测量的电荷输出，增大了输出的杂信比，且导致传感器灵敏度不稳定，力电响应线性度差。因此，当前该类压力传感器并不适用于背部柔软支撑、受压下快速变形结构表面的压力测量。如生物体表面的爆炸冲击波测量，背部支撑的迅速变形导致压电元件应力状态的变化和柔性挠曲将使得测量结果与真实情况产生较大偏差。因此，亟需改善薄膜压力计的结构和测量形式，提高传感器的力电响应灵敏度和测量信噪比。

发明内容

本发明为了解决传统压电薄膜压力计在低幅值（10^-1~10¹MPa）爆炸冲击波测量时存在的灵敏度偏低、灵敏度不稳定、杂信比高等问题，提供一种适用于物体表面冲击波测量的薄膜传感器及制作方法。

本发明采取以下技术方案：一种物体表面冲击波测量高灵敏薄膜传感器，包括压电膜元件和绝缘垫平层，绝缘垫平层中心位置设置有嵌入孔，压电膜元件嵌在嵌入孔内并与绝缘垫平层形成传感器芯层，传感器芯层的上下两侧为纤维聚合物电极，纤维聚合物电极与压电膜元件及绝缘垫平层通过纤维聚合物电极的表面粘性进行粘结固定，纤维聚合物电极的外侧设置绝缘保护层，上述结构共同构成薄膜结构，薄膜结构周向对称开设若干个法兰固定孔，薄膜结构通过法兰固定孔与法兰固定连接，法兰中部开设的法兰孔为压力加载区，法兰上设置有连接点封装端，连接点封装端内封装有引线连接点。