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基于PVDF的温度感知器的设计与研究

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顾川深李明航姜京辰

摘要：PVDF薄膜压电系数受环境温度影响较大且较为灵敏，可以通过该材料压电系数的改变量得知环境温度的变化，另外PVDF具有厚度薄、灵敏度高、机械柔韧性好等特点，可进行埋置式测量。结合以上两个特点我们设计了根据压电系数改变状态对温度进行感知的温度感知器。

关键词：PVDF;压电系数;温度传感器

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

壓电系数是表征压电材料的重要性能参数，聚偏氟乙烯（PVDF）是一种新型高分子聚合物型压电材料，其压电系数数值大、灵敏度高、响应快、机械柔韧性好、厚度薄，可做埋置式测量。目前压电材料在对温度变化的敏感程度上PVDF表现较为灵敏，根据这一性质提出本文基于PVDF的压电温度感知器的设计。

2基于PVDF的温度感知器的工作原理

在施加力恒定的情况下温度与压电系数的变化情况如图所示（表一），由图可知，PVDF的压电系数随温度的升高而增大，但是因其熔点为160℃～170℃所以压电系数不能无限升高。

应用电源对压电材料PVDF施加一固定电压使其发生形变，在电路中加装预定电阻使得PVDF上电压保持恒定。当外界温度发生变化时，PVDF压电系数发生改变或高或低，这时与PVDF并联的灵敏电压表会感知到电压的变化并在表盘上显示出来。

3简易电路图

4基于PVDF的温度感知器的优点

（1）PVDF 良好的工艺性，可用现有设备进行加工，能制作大面积的敏感元件，具有高冲击强度（可使用于高强度场合），耐腐蚀性（在活性介质中使用时这种性能是必需的）;相对介电常数较低;相应较高的压电常数值（比其它压电材料高一个数量级以上）和热信号灵敏度（p/ε）值;与压电陶瓷相比有更低的导热性; 并能制得更薄的薄膜。

（2）PVDF可做埋置式传感器，更加节约空间和材料。可在不改变设备或待测物体的基本形状的前提下进行温度感知。

5结语

（1）该传感器对于温度变化更加敏感、感知更加准确。

（2）不改变大体结构，简易轻便。

（3）智能材料与结构是近年来较热门的一个研究课题。智能结构是将传感元件、驱动元件和控制系统结合或融合进基体材料中而形成的一种材料系统，它能够感知外界环境变化并对这种变化做出主动响应。PVDF 压电薄膜是智能结构中理想的传感元件，由于其重量轻、体积小、结构简单、可粘贴于材料的表面，因而对结构的力学性能影响很小，与结构有着良好的相容性，并可在结构中大面积使用。有人预计，21世纪将是智能材料时代，那么作为智能材料传感元件之一的 PVDF 压电薄膜必将随着智能材料的广泛应用而在国民经济的各个领域大显身手。

参考文献

[1]余尚江，杨吉祥，陈晋央，陈显.PVDF压电系数d_（31）受温度影响的试验测定[J].压电与声光，2013，35（02）：255-257.

[2]郭伟国，褚世永.不同力和温度对PVDF压电薄膜压电系数的影响[J].科学技术与工程，2008（02）：347-352.

[3]曾晓. 基于PVDF/PEO柔性温度传感器研究及其应用[D].合肥工业大学，2019.

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