基于PVDF的形貌曲线感测技术研究
发布时间：2021-07-26 22:52
聚偏氟乙烯材料（Polyvinylidene Fluoride,简称PVDF）是一种具有双向可逆能量转换特性的压电智能材料。PVDF薄膜具有压电性能强、频率响应宽、柔韧性和加工性能好等优良特性。PVDF薄膜嵌入性强,其在智能结构领域具有广泛的应用。本课题在分析面接触传感技术以及形貌感测技术研究现状的基础上,分析了目前国内外关于形貌感测技术的研究现状,并对PVDF材料的基本特性及其应用研究进行了综述。在基于PVDF薄膜本构方程及压电效应、热电效应机理分析的基础上,讨论了PVDF薄膜在动态接触式应用中的优越性,结合COMSOL有限元分析软件（DEMO版）,进行了PVDF压电仿真模型的构建,并分析了PVDF薄膜中的电荷分布规律及接触力和表面电荷的关系。在此研究基础上,进一步研究了基于PVDF压电薄膜的形貌感测原理,建立了表面电荷量与形貌几何特征的函数关系,并研究出了特定的型值点递推算法,采用Ferguson曲线模型进行形貌曲线的重建。针对一定的曲线进行了算法验证,结果表明具有较好的重建效果,验证了该感测算法的可行性。研究表明,曲线重构误差和采样点数目之间存在一定的数学关系。针对型值点误差,进...
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究技术路线
武汉科技大学硕士学位论文10图2.1介电体、压电体、热释电体、铁电体的包含关系PVDF是一种主要有β型和α型两种晶体结构的聚合物，由于β型其CF2偶极子的朝向与方向相同，β型晶体分子链沿着b轴呈一种平形状排列，其具有较好的压电性和一定的热电性。2.2PVDF薄膜的压电效应2.2.1PVDF薄膜压电传感机理PVDF薄膜的压电效应包括正压电效应和逆压电效应。正压电效应是沿PVDF薄膜一定方向受到外力作用发生形变，其内部会产生极化现象，其两相对表面会出现极性相反、大小相等的电荷，当外力去掉后，PVDF薄膜又恢复到不带电的状态。相反地，逆压电效应是当有外加电场施加在PVDF薄膜极化方向上时，会引起其内部电极轴中心不对称，从而导致其产生形变，当外加电场去掉后，PVDF薄膜又会恢复到形变前的状态。PVDF薄膜的压电方程表述为：mTimjijinnjjijiEdDEec（2-3）压电方程反映了外界电场强度、薄膜上受的压力、表面电荷之间的函数关系。电位移是由外力和所受电场影响叠加而成的，可表示为：mTimjijiEdD（2-4）式中，为应力值，E为电场强度，D为面电荷密度矩阵，T为介电常数矩
武汉科技大学硕士学位论文11阵的转置矩阵，d为压电应变常数矩阵，mi3,2,1,，j62,1。其中第一项是应力作用产生的电位移，第二项是应力为零时电场强度产生的电位移。当电场为零且只考虑电学边界条件时，PVDF的压电方程为忽略电场后的第一类压电方程，其表达式为：jijidD（2-5）式（2-5）即为PVDF压电薄膜正压电效应函数表达式，反映了其机械能转化为电能的能力，通过测量压电元件上的电荷量，计算出其变形量，从而求出所受外力。为了研究PVDF压电薄膜传感特性，需要对其受力进行分析（如图2.2所示），图中，1x、1y、1z分别表示三个坐标轴的轴向，4x、5y、6z分别为围绕x、y、z三个坐标轴方向。一般来说，PVDF薄膜在x轴方向的压电常数较大，其延伸方向表示为拉伸方向，z轴为垂直于膜面的方向，表示为极化方向（即受力方向），极化方向的压电常数最大。图2.2PVDF压电薄膜微元体受力分析不同受力方向及不同表面上电荷积累是不同的，用应力和电荷密度来表征压电效应为：jijjidD（2-6）式中，jiD表示j方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度（即沿i方向的极化强度）；ijd表示j方向受应力时，在i方向产生电荷时的压电常数；其表示晶体
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电智能结构振动系统未知扰动估计[J]. 伍彬艺,秦现生,张顺琦,王战玺,白晶,李靖. 振动与冲击. 2019(16)
[2]基于三维图像的逆向工程重构系统[J]. 曾月鹏. 现代电子技术. 2018(20)
[3]基于线结构光传感器的轨道板几何形貌检测方法[J]. 祝祥,邵双运,宋志军. 中国光学. 2018(05)
[4]光纤Bragg光栅触觉传感器研究进展[J]. 王飞文,冯艳,张华,张震. 传感器与微系统. 2018(09)
[5]一种基于PSFS的近红外人脸3D形貌重构系统[J]. 王国珲,吴二星,王立平. 电视技术. 2018(08)
[6]基于PVDF压电传感器的足底压力测量系统[J]. 李琳杰,赵伟博. 传感器与微系统. 2018(05)
[7]仿生柔性触角形状感知光纤传感方法研究[J]. 赵利明,董明利,李红,孙广开,祝连庆. 激光与红外. 2018(04)
[8]基于应变片压阻效应的柔性传感器阵列的设计[J]. 肖立志,郭兰申,张磊. 仪表技术与传感器. 2017(07)
[9]适用于管道内形貌检测的3D全景视觉传感器[J]. 汤一平,吴挺,袁公萍,鲁少辉,杨仲元. 仪器仪表学报. 2017(03)
[10]电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势[J]. 曹建国,周建辉,缪存孝,尹海斌,李维奇,夏飞. 哈尔滨工业大学学报. 2017(01)
本文编号：3304527
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究技术路线
武汉科技大学硕士学位论文10图2.1介电体、压电体、热释电体、铁电体的包含关系PVDF是一种主要有β型和α型两种晶体结构的聚合物，由于β型其CF2偶极子的朝向与方向相同，β型晶体分子链沿着b轴呈一种平形状排列，其具有较好的压电性和一定的热电性。2.2PVDF薄膜的压电效应2.2.1PVDF薄膜压电传感机理PVDF薄膜的压电效应包括正压电效应和逆压电效应。正压电效应是沿PVDF薄膜一定方向受到外力作用发生形变，其内部会产生极化现象，其两相对表面会出现极性相反、大小相等的电荷，当外力去掉后，PVDF薄膜又恢复到不带电的状态。相反地，逆压电效应是当有外加电场施加在PVDF薄膜极化方向上时，会引起其内部电极轴中心不对称，从而导致其产生形变，当外加电场去掉后，PVDF薄膜又会恢复到形变前的状态。PVDF薄膜的压电方程表述为：mTimjijinnjjijiEdDEec（2-3）压电方程反映了外界电场强度、薄膜上受的压力、表面电荷之间的函数关系。电位移是由外力和所受电场影响叠加而成的，可表示为：mTimjijiEdD（2-4）式中，为应力值，E为电场强度，D为面电荷密度矩阵，T为介电常数矩
武汉科技大学硕士学位论文11阵的转置矩阵，d为压电应变常数矩阵，mi3,2,1,，j62,1。其中第一项是应力作用产生的电位移，第二项是应力为零时电场强度产生的电位移。当电场为零且只考虑电学边界条件时，PVDF的压电方程为忽略电场后的第一类压电方程，其表达式为：jijidD（2-5）式（2-5）即为PVDF压电薄膜正压电效应函数表达式，反映了其机械能转化为电能的能力，通过测量压电元件上的电荷量，计算出其变形量，从而求出所受外力。为了研究PVDF压电薄膜传感特性，需要对其受力进行分析（如图2.2所示），图中，1x、1y、1z分别表示三个坐标轴的轴向，4x、5y、6z分别为围绕x、y、z三个坐标轴方向。一般来说，PVDF薄膜在x轴方向的压电常数较大，其延伸方向表示为拉伸方向，z轴为垂直于膜面的方向，表示为极化方向（即受力方向），极化方向的压电常数最大。图2.2PVDF压电薄膜微元体受力分析不同受力方向及不同表面上电荷积累是不同的，用应力和电荷密度来表征压电效应为：jijjidD（2-6）式中，jiD表示j方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度（即沿i方向的极化强度）；ijd表示j方向受应力时，在i方向产生电荷时的压电常数；其表示晶体
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电智能结构振动系统未知扰动估计[J]. 伍彬艺,秦现生,张顺琦,王战玺,白晶,李靖. 振动与冲击. 2019(16)
[2]基于三维图像的逆向工程重构系统[J]. 曾月鹏. 现代电子技术. 2018(20)
[3]基于线结构光传感器的轨道板几何形貌检测方法[J]. 祝祥,邵双运,宋志军. 中国光学. 2018(05)
[4]光纤Bragg光栅触觉传感器研究进展[J]. 王飞文,冯艳,张华,张震. 传感器与微系统. 2018(09)
[5]一种基于PSFS的近红外人脸3D形貌重构系统[J]. 王国珲,吴二星,王立平. 电视技术. 2018(08)
[6]基于PVDF压电传感器的足底压力测量系统[J]. 李琳杰,赵伟博. 传感器与微系统. 2018(05)
[7]仿生柔性触角形状感知光纤传感方法研究[J]. 赵利明,董明利,李红,孙广开,祝连庆. 激光与红外. 2018(04)
[8]基于应变片压阻效应的柔性传感器阵列的设计[J]. 肖立志,郭兰申,张磊. 仪表技术与传感器. 2017(07)
[9]适用于管道内形貌检测的3D全景视觉传感器[J]. 汤一平,吴挺,袁公萍,鲁少辉,杨仲元. 仪器仪表学报. 2017(03)
[10]电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势[J]. 曹建国,周建辉,缪存孝,尹海斌,李维奇,夏飞. 哈尔滨工业大学学报. 2017(01)
本文编号：3304527
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