PVDF压电式谐振传感器在密度测量中的实验研究

摘要： 密度测量在现代生产生活中占有很重要的地位，因此研究出能够快速精确测量密度的方法会极大地改善生活和生产质量。现利用聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜的压电效应和逆压电效应制成薄膜压电式谐振传感器，用于气体或液体的密度测量，从而得出传感器谐振频率与被测气体和液体密度之间存在的关系。从实验和分析结果看，该谐振传感器可用于气体或液体的密度测量，且测量结果具有较高的分辨力。

关键词： 聚偏氟乙烯； 谐振传感器； 压电效应； 逆压电效应

中图分类号： TP 212.9文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.003

引言

密度测量在现代化工测量中占有很重要的地位。常用的液体密度测量方法主要有：浮计法、容量法、比重瓶测量法等。其中，浮计法测量快速，但精度低；容量法精度较高，但耗时太长；比重瓶法玻璃瓶子易碎[1]。 常用的气体密度测量方法主要有：震桶式测量法，此法工艺复杂，不易推广[2，3]。针对上述测量方法的缺点，现利用压电式机械谐振传感器，来实现液体或气体密度的快捷及高精度测量。

压电传感器由于具有体积小，结构简单，固有频率高等优点，其应用领域越来越广泛。压电传感器常用材料主要有：石英晶体、压电陶瓷和聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）等。其中，石英晶体压电系数较小，大多用于标准传感器或者温度要求较高的传感器；压电陶瓷虽然压电系数比石英晶体高很多，且应用广泛，但具有热释电效应，会对力学测量造成很大干扰，在力学测量中受到限制；PVDF是一种高分子压电材料，具有灵敏度高、柔软、耐冲击和机械强度高等优点，目前在压电传感器领域中得到越来越广泛的应用[4，5]。因此，采用PVDF压电式谐振传感器，来对气体或液体密度进行测量。

1谐振传感器气体或液体密度测量基本原理

谐振式传感器测量原理是通过谐振子的振动特性来实现的。谐振子振动过程中，可以等效为一个单自由度的系统，以系统固有频率振动，系统的固有振动频率只和系统的等效质量和等效弹性系数有关。

谐振传感器气体或液体密度测量的原理是通过系统中的弹性敏感元件与气体或液体相接触后，由于改变了系统等效质量，其谐振频率必然发生一定的偏移，而利用此频率偏移量即可计算出相应气体或液体的密度。

2气体或液体密度测量系统

PVDF压电式谐振传感器的结构原理如图1所示，传感器是把两片已经金属化的PVDF薄膜粘贴在薄玻璃片的两个大面上，靠近玻璃粘帖侧的PVDF薄膜引线作为输入、输出的负极，远离玻璃粘帖侧的两面分别作为输入与输出的正极。

气体或液体密度测量系统的组成框图，如图2所示。密度测量系统由函数发生器提供正弦输入电信号，电信号通过输入端输入到图1中玻璃片上面的PVDF薄膜上，激发谐振传感器产生振动，根据逆压电效应，图1中玻璃片下面的PVDF薄膜上，将产生同一频率的正弦电信号，输出端将这一正弦信号输出到示波器上显示出来。

测量气体时，让传感器振动片全部暴露在空气中，将函数发生器连接到传感器输入端，传感器输出端接示波器，设置示波器，显示输入信号输出信号波形。并调用示波器内部函数，显示输出信号幅度以及输出信号与输入信号相位差，每改变一次频率，记录下输出信号幅度以及相位差，制成图表，就可得到某段频率范围内的振动全谱，从而测得被测气体密度。

测量液体时，务必使振动片全部浸入到液体当中，然后按照上述测量气体的方法步骤测出谐振传感器在液体中的振动全谱，即可得到被测液体密度。在液体测量中，谐振片不同的摆放角度和位置，会影响到谐振频率的偏移量和测试精度。实验中，谐振片是竖直悬挂着插入液体中的。

3实验结果及分析

对于气体密度的测量，在标准大气压，常温条件下，利用PVDF压电式谐振传感器对空气密度进行测量的结果如图3所示。从图3中可看到两条曲线，平滑曲线代表传感器输出信号幅度，带点曲线表示输出信号与输入信号的相位差。从图3可看出在空气中谐振传感器的谐振频率为1 212 Hz。根据式（1）可计算出振动片的理论值。利用玻璃的标准参数E=0.55×1011 N/m2，玻璃密度ρ=2.5 g/cm3，振动片的尺寸：L=46 mm，h=0.1 mm。将单位换算成标准单位后代入式（1）中计算，得出谐振频率f=1 231 Hz。对比理论值和实测值，其误差为19 Hz。图3中图右面的另一个谐振频率，由于该谐振状态不仅包含弯曲振动一种模式，还包含了如扭曲振动等的其它模式，因此，不作为密度测量的研究对象。

由于实验条件所限，无法得到几种不同密度的气体，根据式（3）来模拟不同密度的气体。PV=NRT（3）式（3）中，P为气体压强，V为气体密度，N为气体分子的摩尔量，R为常数，T为温度。当体积V和温度T一定时，气体的压强P和摩尔量N成正比，而气体压强P正比于气体密度ρ，因此，若测得谐振频率与气体压强之间关系，即可确定谐振频率与气体密度之间的关系。

将谐振传感器密封在一个容积固定的容器内，通过抽取空气的方式来改变内部压强，并根据式（3）把气体压强与谐振频率关系转换成气体密度与谐振频率关系如图4所示。图4中横轴为根据气体公式计算后的气体密度，纵轴为对应的谐振传感器谐振频率，从图4可以看出，传感器谐振频率随着气体密度增加近似成线性降低。这是由于随着气体密度的增加，施加在谐振片上的作用力变大了，从而使得谐振频率降低了。

4结论

实验结果说明，利用PVDF制成的压电式谐振传感器既可以用来测量气体的密度又可以测量液体的密度。在气体测量中，由于气体密度是根据气体公式计算出来的，因此前提条件是气体的摩尔质量保持不变，也就是说，如果利用压强与谐频率的关系来计算密度与谐振频率的关系，要保证是同一种气体或者气体的摩尔质量保持不变。另外，在气体或者液体中，该传感器的两片薄膜是导电的，因此不能在含有带电离子的气体或者液体中进行测量，如果可以把薄膜很好地保护起来，做到尽量不影响薄膜的压电特性，那么该传感器就可以用来测量含有带电离子的气体或者液体密度了。此传感器克服了石英晶体的低压电系数和压电陶瓷的热释电效应的影响，很好地完成谐振式传感器的测量。由于PVDF具有易于加工，价格便宜等优点，相信PVDF在传感器的应用中将会越来越广泛。

参考文献：

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