3.1　高分子压电薄膜材料简介

尽管传统的加速度计具有体积小、质量轻等优点，通常被用来作为误差传感器测量振动结构的模态信息。但由于是通过对结构表面有限单元点的测量值进行拟合来得到结构整体的振动信息，所以需要在受控对象表面布置大量传感器，否则测量精度得不到满足；对于发动机涡轮叶片等较轻的结构而言，即使质量很小的加速度计也会对测量结果产生附加质量影响；而对于大型复杂结构而言，表面布置大量传感器会使控制系统变得过于复杂，同时成本的增加也导致其在实际工程中的应用更难实现。同时，也有研究人员利用多普勒激光测振仪来对结构振动进行测量，虽然这种非接触式的测量方法对结构没有附加质量的影响，但工程应用过程中各种复杂密集的结构对于测振仪激光探头的布置来说十分困难；并且，光学测量对于周围环境条件的要求非常高，气温、湿度等因素的变化都会对测量结果产生影响；同时多普勒激光测振仪昂贵的价格，也不利于实际工程的经济性。

近年来，为了减小主动控制系统的尺寸，有学者开始对结构-传感器的一体化进行研究，即采用埋入式或粘贴式传感器测量结构的振动信息，该技术思想的提出为所谓自传感-控制智能结构的实现提供了可能。注意到高分子压电薄膜材料如聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF），具有密度低、机械韧性好、可塑性好等特点，把它加工成薄膜粘贴在结构体上，对系统响应的影响很小。其结构如图3.1所示，实物如图3.2所示。由于PVDF薄膜具有机械强度高、化学性能稳定和可塑性好等优点，通过单轴拉伸和热极化处理等手段加工成压电薄膜，并与微电子技术相结合，制成各种粘贴式多功能传感器来满足不同的测量要求，这已经成为当今国内外学者研究的热点之一。

Lee和Moon首先成功地应用PVDF薄膜作为传感器粘贴在悬臂梁上，通过设计PVDF薄膜的形状，测量到了其特定的结构模态的模态坐标，称之为分布式模态传感器（Distributed Modal Sensor）。随后发展的模态传感器技术使用PVDF扩展了测量到任意边界条件的梁、矩形板以及管道的结构模态。近十年来，通过特定形状的PVDF设计压电式模态传感器实现结构噪声与振动主动控制（Active Noise and Vibration Control，ANVC）的研究越来越引起关注。

图3.1　PVDF压电薄膜示意图

图3.2　PVDF压电薄膜传感器实物照片

与加速度计等传统误差传感器以及其他材料的压电式传感器相比，这种薄膜状的PVDF压电传感器主要具备以下几个优点。

（1）机械强度高、化学性能稳定：PVDF材料本身具备的这两个优点使压电薄膜可以适应各种高温、高压的恶劣工作环境。

（2）具有较强的压电效应：PVDF的压电常数比石英晶体高出10多倍；在同样的受力条件下，压电薄膜的输出电压比PZT（压电陶瓷）高10倍。

（3）易于加工和安装：由于PVDF是一种可塑性较高的材料，不仅可将其制成各种厚度不等、形状不同的压电薄膜，而且还可根据工程应用中的实际需要现场剪裁；同时，压电薄膜较好的柔性和直接粘贴的布置方式使其非常适用于传感器的大规模阵列布置。

（4）附加质量小：溶液流延制备而成的α相薄膜厚度约为100μm，经过拉伸处理后得到的β相薄膜只有20～30μm厚，加之PVDF材料本身密度较低，因此将压电薄膜粘贴在结构表面对测量结果几乎没有附加质量影响。

（5）频响范围宽：对于结构动态响应的测量，由于具有10-3～109Hz的宽频响应范围，从准静态、低频、高频到超高频的动态信号PVDF压电传感器都可以转换为交变电流信号输出。

（6）高介电强度：PVDF压电薄膜在75V/μm的强电场作用下仍可正常工作，此时大多数压电陶瓷已经退极化。

（7）声阻抗低：PVDF材料的声阻抗率与人体的肌肉和水都很接近，且柔顺性较好，便于制成各种医用传感器接触人体测量或用作水听器的传感部分。