PDMS-金属薄膜摩擦式压电转换及压力检测性能研究
发布时间：2022-01-28 00:45
压力检测技术在水下工程领域有着广泛的需求,如船舶吃水深度检测、水下机器人状态监测等。当前,人们普遍使用具有压电效应的固体材料或以PVDF（聚偏氟乙烯）为代表的聚合物薄膜材料,将压力信号转变为电信号。但固体材料脆性强,抗冲击性能较差,易断裂,且不适合用于活动机械关节。为产生压电效应,PVDF薄膜需要进行极化处理,并且在使用过程中易受压力之外的其它环境参数（如温度）的影响。本文提出了—种利用PDMS（聚二甲基硅氧烷）与金属薄膜在压力作用下相互摩擦进行压电信号转换的方法,分析了其工作机理,通过实验和数值模拟的方法,系统研究了其压力检测的性能。具体来看,本文的主要研究内容有:（1）设计了基于PDMS-金属薄膜复合电极的压力检测系统,并进行了实验研究。研究结果表明:检测电极的输出电压与施加在电极表面的压力成正比。当载荷从0线性增加到5g时,厚度为1mm复合电极的输出电压从0V线性增加到0.08V,并且输出电压曲线斜率正比于载荷的变化率。此外,输出电压的幅值随PDMS薄膜厚度的增加而减小。当PDMS薄膜厚度100μm,注射泵速度0.7mL/min,动载荷检测的输出电压均值为0.9V,而PDMS厚度...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２电阻式压力传感器原理图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｓｅｎｓｏｒ??
目前传统的滑油压力传感器是电容式差压??传感器。一般电容器的主要结构包含：绝缘介质、平型金属板。电容量的一般算法如式??１．３所示：??ｃ?＝?－?（１．?３）??ｄ??式中：ｅ为电容极板间的介电常数，其中如为真空介电常数，为极板间介??质相对介电常数，Ａ为两平行板所覆盖的面积，ｄ为两平行板之间的距离。因此根据影??响电容器的主要变量，衍生出变极距式电容器、变面积电容器、变介质电容器：??（１）变极距型电容传感器??如式１．３中所示，改变平行板之间的距离能够改变电容器的电容。图１．３为变极距??型电容式传感器原理图，分为单一型以及差动型两种，动极板相对定极板位置的改变导??致电容器电极间距的改变从而引起电容量的改变。??＃?Ｓ?定极板??ｓ?｜?动极板??ｄ?，￡－?寻?Ａｄ??鲁?／／／／／／／／／／／／??ｉ?定极板??＇＇?Ｉ?｜?＇?＊??；＜ａ）?．?．?！?．?（ｂ）?．??｜?：，?卜??图１．３变极距电容传感器（ａ）单一型；（ｂ）差动型??Ｆｉｇ．?１．３?Ｖａｒｉａｂｌｅ?ｐｏｌａｒ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ?ｓｅｎｓｏｒ?（ａ）?Ｓｉｎｇｌｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｔｙｐｅ；?（ｂ）?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ?ｔｙｐｅ??单一型电容传感器灵敏度：／ｃｄｌ＝ｇ?＝?４?（１．４）??ｄ０??Ｉ?．?－５－??
?大连海事大学硕士学位论文???气??．２Ｃ〇??差动型电容传感器灵敏度：４?＝罟＝考?ａ．?５）??相较而言差动型电容传感器的灵敏度以及信号线性度比较好。因此差动型压力传感??器在船舶柴油机的滑油压力检测中有着广泛应用。??如图１．４所示为传统的差动型电容传感器的结构图，包含：隔离膜片、检测膜片、??定极板、绝缘体、硅油。隔离膜片与装置体共同构成一个腔体，腔体中充满硅油，定极??板位于绝缘体内表面，动极板为一个可形变的检测薄膜。当隔离膜片受到的压力发生变??化时，隔离膜片发生形变，由于硅油不可压缩，隔离膜的形变会将压力传导至检测薄膜??上，压力的变化引起检测薄膜发生形变，该形变引起检测膜片与定极板的距离发生变化，??从而引起电容Ｃｉ、（：２发生变化。电容的变化量通过检测电路测得从而反映出压力的变??化。通过调节检测薄膜以及隔离膜片的绷紧程度以调节检测装置的灵敏度、量程、以及??信号线性度。?？?＇?！＇??觀敝■?Ｊｌ謂??ｍ?ｍＪ?一２??装置截’?’一乙￣￣’?＾’?丨??图１．４差动型电容传感器??Ｆｉｇ．?１．４?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ?ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ?ｓｅｎｓｏｒ??－６－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]State-of-the-art and recent developments in micro/nanoscale pressure sensors for smart wearable devices and health monitoring systems[J]. Ye Chang,Jingjing Zuo,Hainan Zhang,Xuexin Duan. Nanotechnology and Precision Engineering. 2020(01)
[2]锅炉压力容器的无损检测分析[J]. 于晓成. 化工管理. 2020(08)
[3]石墨烯压阻复合材料及其在裂纹监测中的应用[J]. 吴志强,卫军,董荣珍. 浙江大学学报(工学版). 2020(02)
[4]基于石墨烯压阻效应的压力传感器研究进展[J]. 李方清,李龙飞,王德波. 微电子学. 2020(01)
[5]橡胶压缩Mooney-Rivilin本构模型参数拟合分析[J]. 屠璐琼,吴佳钉,胡清波. 噪声与振动控制. 2020(01)
[6]基于单片机的电容传感器测量油箱油量方法的研究[J]. 徐宇茹,赵鹏,汪秀莉. 工业仪表与自动化装置. 2020(01)
[7]基于绝对式的压力电测系统准静态校准方法分析[J]. 陈静,孔德仁,郭彬,陈金刚,褚俊英,项璟. 仪表技术与传感器. 2020(01)
[8]触觉传感器研究现状与展望[J]. 包玉龙,徐斌,舒昊鑫,程芳,胡鑫,黄博. 装备制造技术. 2019(11)
[9]柔性可穿戴电子传感器的现状及发展趋势[J]. 吴玉婷,潘志娟. 现代丝绸科学与技术. 2019(05)
[10]基于足底压力信号的步态识别[J]. 韩亚丽,吴振宇,徐泳龙,张猛,沈培. 计量学报. 2019(05)
博士论文
[1]基于摩擦纳米发电的能量采集器及传感器[D]. 刘招贤.北京邮电大学 2019
[2]聚硅氮烷转化SiCN陶瓷结构性能及传感器应用[D]. 马百胜.西北工业大学 2018
[3]高介电常数复合弹性体的制备及其在柔性传感器领域的应用[D]. 王根林.扬州大学 2017
[4]光纤EFPI传感器系统及其在油气井中应用的研究[D]. 王晓娜.大连理工大学 2008
硕士论文
[1]电纺微纳米纤维材料在压电传感器及柔性可拉伸电极中的应用[D]. 郭文哲.青岛大学 2019
[2]基于PVDF-TrFE/ZnO复合薄膜的柔性压电传感器的制备及性能研究[D]. 赵春毛.中北大学 2019
[3]压电/压阻双模式柔性压力传感器动/静态力学信息检测[D]. 王有岩.浙江工业大学 2019
[4]PVDF/BNBT复合纳米纤维及柔性压电传感器制备研究[D]. 陈小秋.上海师范大学 2019
[5]基于丙烯腈柔性压电材料的制备及其在可穿戴传感器上的应用[D]. 付如民.华南理工大学 2019
[6]基于PDMS复合介电层的电容式柔性压力传感器研究[D]. 杜青.太原理工大学 2018
[7]陶瓷压阻式压力传感器设计与实现[D]. 王风雷.杭州电子科技大学 2018
[8]摩擦发电与自供电压力传感器设计及应用研究[D]. 杨恒山.东南大学 2018
[9]超柔性PDMS复合材料及其柔性压力传感器应用研究[D]. 李俊鹏.电子科技大学 2018
[10]基于模糊理论的CB18柴油油泵诊断研究[D]. 谈德荣.上海交通大学 2017
本文编号：3613376
【文章来源】：大连海事大学辽宁省211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２电阻式压力传感器原理图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｓｅｎｓｏｒ??
目前传统的滑油压力传感器是电容式差压??传感器。一般电容器的主要结构包含：绝缘介质、平型金属板。电容量的一般算法如式??１．３所示：??ｃ?＝?－?（１．?３）??ｄ??式中：ｅ为电容极板间的介电常数，其中如为真空介电常数，为极板间介??质相对介电常数，Ａ为两平行板所覆盖的面积，ｄ为两平行板之间的距离。因此根据影??响电容器的主要变量，衍生出变极距式电容器、变面积电容器、变介质电容器：??（１）变极距型电容传感器??如式１．３中所示，改变平行板之间的距离能够改变电容器的电容。图１．３为变极距??型电容式传感器原理图，分为单一型以及差动型两种，动极板相对定极板位置的改变导??致电容器电极间距的改变从而引起电容量的改变。??＃?Ｓ?定极板??ｓ?｜?动极板??ｄ?，￡－?寻?Ａｄ??鲁?／／／／／／／／／／／／??ｉ?定极板??＇＇?Ｉ?｜?＇?＊??；＜ａ）?．?．?！?．?（ｂ）?．??｜?：，?卜??图１．３变极距电容传感器（ａ）单一型；（ｂ）差动型??Ｆｉｇ．?１．３?Ｖａｒｉａｂｌｅ?ｐｏｌａｒ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ?ｓｅｎｓｏｒ?（ａ）?Ｓｉｎｇｌｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｔｙｐｅ；?（ｂ）?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ?ｔｙｐｅ??单一型电容传感器灵敏度：／ｃｄｌ＝ｇ?＝?４?（１．４）??ｄ０??Ｉ?．?－５－??
?大连海事大学硕士学位论文???气??．２Ｃ〇??差动型电容传感器灵敏度：４?＝罟＝考?ａ．?５）??相较而言差动型电容传感器的灵敏度以及信号线性度比较好。因此差动型压力传感??器在船舶柴油机的滑油压力检测中有着广泛应用。??如图１．４所示为传统的差动型电容传感器的结构图，包含：隔离膜片、检测膜片、??定极板、绝缘体、硅油。隔离膜片与装置体共同构成一个腔体，腔体中充满硅油，定极??板位于绝缘体内表面，动极板为一个可形变的检测薄膜。当隔离膜片受到的压力发生变??化时，隔离膜片发生形变，由于硅油不可压缩，隔离膜的形变会将压力传导至检测薄膜??上，压力的变化引起检测薄膜发生形变，该形变引起检测膜片与定极板的距离发生变化，??从而引起电容Ｃｉ、（：２发生变化。电容的变化量通过检测电路测得从而反映出压力的变??化。通过调节检测薄膜以及隔离膜片的绷紧程度以调节检测装置的灵敏度、量程、以及??信号线性度。?？?＇?！＇??觀敝■?Ｊｌ謂??ｍ?ｍＪ?一２??装置截’?’一乙￣￣’?＾’?丨??图１．４差动型电容传感器??Ｆｉｇ．?１．４?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ?ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ?ｓｅｎｓｏｒ??－６－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]State-of-the-art and recent developments in micro/nanoscale pressure sensors for smart wearable devices and health monitoring systems[J]. Ye Chang,Jingjing Zuo,Hainan Zhang,Xuexin Duan. Nanotechnology and Precision Engineering. 2020(01)
[2]锅炉压力容器的无损检测分析[J]. 于晓成. 化工管理. 2020(08)
[3]石墨烯压阻复合材料及其在裂纹监测中的应用[J]. 吴志强,卫军,董荣珍. 浙江大学学报(工学版). 2020(02)
[4]基于石墨烯压阻效应的压力传感器研究进展[J]. 李方清,李龙飞,王德波. 微电子学. 2020(01)
[5]橡胶压缩Mooney-Rivilin本构模型参数拟合分析[J]. 屠璐琼,吴佳钉,胡清波. 噪声与振动控制. 2020(01)
[6]基于单片机的电容传感器测量油箱油量方法的研究[J]. 徐宇茹,赵鹏,汪秀莉. 工业仪表与自动化装置. 2020(01)
[7]基于绝对式的压力电测系统准静态校准方法分析[J]. 陈静,孔德仁,郭彬,陈金刚,褚俊英,项璟. 仪表技术与传感器. 2020(01)
[8]触觉传感器研究现状与展望[J]. 包玉龙,徐斌,舒昊鑫,程芳,胡鑫,黄博. 装备制造技术. 2019(11)
[9]柔性可穿戴电子传感器的现状及发展趋势[J]. 吴玉婷,潘志娟. 现代丝绸科学与技术. 2019(05)
[10]基于足底压力信号的步态识别[J]. 韩亚丽,吴振宇,徐泳龙,张猛,沈培. 计量学报. 2019(05)
博士论文
[1]基于摩擦纳米发电的能量采集器及传感器[D]. 刘招贤.北京邮电大学 2019
[2]聚硅氮烷转化SiCN陶瓷结构性能及传感器应用[D]. 马百胜.西北工业大学 2018
[3]高介电常数复合弹性体的制备及其在柔性传感器领域的应用[D]. 王根林.扬州大学 2017
[4]光纤EFPI传感器系统及其在油气井中应用的研究[D]. 王晓娜.大连理工大学 2008
硕士论文
[1]电纺微纳米纤维材料在压电传感器及柔性可拉伸电极中的应用[D]. 郭文哲.青岛大学 2019
[2]基于PVDF-TrFE/ZnO复合薄膜的柔性压电传感器的制备及性能研究[D]. 赵春毛.中北大学 2019
[3]压电/压阻双模式柔性压力传感器动/静态力学信息检测[D]. 王有岩.浙江工业大学 2019
[4]PVDF/BNBT复合纳米纤维及柔性压电传感器制备研究[D]. 陈小秋.上海师范大学 2019
[5]基于丙烯腈柔性压电材料的制备及其在可穿戴传感器上的应用[D]. 付如民.华南理工大学 2019
[6]基于PDMS复合介电层的电容式柔性压力传感器研究[D]. 杜青.太原理工大学 2018
[7]陶瓷压阻式压力传感器设计与实现[D]. 王风雷.杭州电子科技大学 2018
[8]摩擦发电与自供电压力传感器设计及应用研究[D]. 杨恒山.东南大学 2018
[9]超柔性PDMS复合材料及其柔性压力传感器应用研究[D]. 李俊鹏.电子科技大学 2018
[10]基于模糊理论的CB18柴油油泵诊断研究[D]. 谈德荣.上海交通大学 2017
本文编号：3613376
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3613376.html
