PVDF压电传感器的动态标定及应用研究

杨玉顺，祁 乐，张春雷，武精科，韦四江

(1.淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001；

2.河南能源集团有限公司 鹤煤公司三矿，河南 鹤壁 458000；

3.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

低频强动力扰动是冲击地压巷道围岩变形破坏的力源之一，是决定煤矿能否安全高效生产的关键[1]。而冲击地压所引起的低频强动力扰动能够使巷道出现变形破坏，影响巷道的正常生产使用，严重时会导致人员伤亡事故[2-6]。而如何监测动力扰动下巷道周边动态应力，PVDF压电薄膜具有很独特的热电效应和压电效应，且具有较高的柔韧性、质量轻、机械性能好等优点，在越来越多的领域受到人们的广泛关注[7]。

目前，国内学者席道瑛等[8]首次用SHPB测试装置对聚偏氟乙烯PVDF应力计的动态应变常数进行标定。任新见等[9]采用SHPB装置对自制传感器进行标定，并用TNT化爆试验对其测试效果进行比较。张艳芳等[10]提出一种PVDF压电薄膜的触觉传感器，实现动态三维力测量。而在监测动力扰动下巷道围岩变形破坏特征，数值模拟方法已被广泛应用于工程中基于静态计算的应变岩爆中[11-12]。相似模拟实验更能直观地反映表象的物理现象，并给出较明确的结论，国内外学者在实验室内进行了冲击地压方面的相似模拟研究[13-14]，大多局限于对试件的冲击特性研究，而对地下巷硐发生冲击地压的动力现象研究较少。

本文在前人研究的基础上，设计研究制作了一种PVDF传感器外壳并对其进行封装，将封装过的PVDF传感器埋入砂蜡材料中，使用重物对其进行冲击，完成PVDF传感器的动态标定。并以千秋矿21141工作面为工程背景，采用相似模拟方法研究动力扰动作用下巷道围岩破坏规律，以期研究成果为工作面安全高效生产提供借鉴。

1.1 传感器封装设计

PVDF传感器外壳封装主要由外壳、上下板、PVDF压电薄膜、上密封盖组成。采用PVDF压电薄膜，膜厚30 μm，直径20 mm。压电薄膜置于外壳中间，上下板放置在PVDF压电薄膜两侧，作为保护板，在放置PVDF压力传感器处对应外壳位置开设一圆弧形槽供其电线出口。为保证上下板受到外力直接作用在压电薄膜有效面积上，上下板直径略小于压电薄膜直径，为19 mm。为保证制造精度，PVDF压电薄膜外壳各部件均采用不锈钢材料加工成型，外壳、上下板、PVDF压电薄膜、上密封盖之间用环氧树脂胶填充，保证绝缘、防水和有一定的机械强度。在封装PVDF传感器时，需施加一定的轴向预紧力，以保证PVDF传感器与各组件安装密实(图1)。

图1 PVDF传感器示意Fig.1 Schematic diagram of PVDF sensor

1.2 PVDF压电薄膜传感器动态标定

使用标准传感器对PVDF传感器进行动态标定，制作砂蜡比100∶6的试块，将两种传感器埋入试块中，使用质量3.6 kg的重物在某一高度(50 cm)处自由下落对试块进行冲击，重物冲击时采用木板夹住试块，用一根绳子固定重物，并使重物水平面与试块上表面平行，每次冲击前将重物提至同一高度，将绳子剪断，使其自由下落冲击试块，监测2种传感器的动态压力。

1.2.1 标定步骤及方法

本次共设计封装10个PVDF传感器，且10个PVDF传感器均需进行动态标定(图2)。

图2 PVDF传感器标定试验Fig.2 Calibration test diagram of PVDF sensor

(1)将PVDF压力传感器和标准传感器埋入砂蜡比100∶6的材料中，制作成边长15 cm的立方体试块，本次试验共制作4个试块，将6号PVDF传感器和标准传感器埋入第1个试块中，将3号、4号和5号埋入第2个试块中，将7号、8号和9号埋入第3个试块中，将1号、2号和10号埋入第4个试块中，试块如图2(a)所示。

(2)将PVDF压力传感器和标准传感器连接电荷放大器，通过WS-5921/N60216-C16动态数据采集仪，计算机系统进行数据采集和记录，采集系统如图2(b)所示。

(3)使用质量3.6 kg的重物在距试块同一高度处自由下落，下落高度取50 cm，即重物下落冲击试块瞬时速度为3.13 m/s。通过数据采集系统监测重物在同一高度自由下落冲击试块的作用力。

(4)每组试块分别进行5次冲击试验，得到5次冲击试验后两信号的动态压力曲线，计算同一高度重物自由下落冲击试块后标准传感器动态压力的平均值Fb和PVDF传感器动态压力的平均值Fp。由于在使用WS-2401型多通道电荷放大器时需要给定一个标定系数，当压电薄膜力传感器电荷灵敏度Sq在10～100 pC/N时，适调开关对应调到100～1 000，如Sq=37.1 pC/N，则适调开关置371；
当Sq不在10～100 pC/N时，测量结果需要校正，如传感器Sq=3.71 pC/N，此时适调开关置371，但测量结果必须做乘10校正；
如传感器Sq=371 pC/N，此时适调开关置371，但测量结果必须做除10校正。拟取以上转换原则，PVDF传感器出厂时的静态标定系数21 pC/N，通过上述原则即可求出PVDF的动态灵敏度系数为21Fb/Fp。

1.2.2 结果分析

重物在距试块高度50 cm处自由下落冲击试块后标准传感器和6号PVDF传感器测得的动态压力如图3所示。重物自由下落冲击试块瞬间，2种传感器曲线迅速上升，然后曲线又迅速下降。标准传感器曲线相比于经过外壳封装后的PVDF传感器曲线较光滑，且2种传感器的上升段和下降段所经历时间约为100 ms。

图3 2种传感器动态压力曲线Fig.3 Dynamic pressure curve of two kinds of sensors

在高度50 cm位置处进行多次冲击后2种传感器的动态压力峰值见表1。

表1 两种传感器动态压力峰值Tab.1 Dynamic stress peak of two kinds of sensor′s

在同一位置处对试块进行自由落体冲击试验，测得每次冲击试块后数据采集系统记录两种传感器的动态压力各不相同，为尽量消除试验过程中重物在自由下落冲击试块时未能与试块充分接触等因素所引起的误差，须进行多次试验取平均值，通过上述换算方法得出6号PVDF传感器的电荷灵敏度系数为42.6 pC/N。

采用相同方法使用重物在距试块高度50 cm情况下对其他试块进行自由落体冲击试验，通过计算得出各PVDF传感器的电荷灵敏度系数见表2。

2.1 工程背景

千秋矿现开采的21采区21141综放工作面平均采深684 m，21141工作面位于2-1煤与2-3煤合并区，统称二煤。该工作面运输巷为沿煤层底板掘进的全煤巷道，巷道为宽5 m、高4 m的直墙半圆拱巷道。煤层结构复杂，含矸4～7层，二煤直接顶为约20 m厚的砂质泥岩，其上为巨厚层坚硬砾岩，距煤层约210 m，厚度约410 m，而在煤层与巨厚砾岩之间各岩层层厚较薄，整体性较差。巷道布置不合理或形成孤岛工作面采煤时，岩体内应力高度集中，应力集中程度约为原岩应力的3倍，且正在开采的21141工作面和下一步开采的21161工作面处于高垂直应力区。采用相似模拟实验方法模拟给定应力环境下在距巷道不同位置处施加动力扰动后动态应力变化规律。

表2 各PVDF传感器的电荷灵敏度系数Tab.2 Charger sensitivity coefficient of each PVDF sensor

2.2 相似条件和相似材料

原型与模型的比例方面，几何相似比αL=25，容重相似比αγ=1.58，应力相似比ασ=39.5。相似材料选用细砂作为主料，石膏和水泥作为胶结料的配比方案，相似模型材料配比见表3。

表3 相似材料铺设方案Tab.3 Project similar materials laying

2.3 实验模型建立及测量方式

实验利用YDM-E型采矿工程物理模拟试验系统，该系统有主机、试件模具、模型运输车、液压控制系统和数据采集系统5个部分组成。试验台尺寸为1 600 mm×1 600 mm×400 mm，平面内均压范围为1 300 mm，模型如图4所示。

图4 实验系统Fig.4 Test system

采用PVDF压力传感器监测巷道围岩动态应力变化，埋设位置与巷道之间距离分别为5、10、15 cm，巷道顶底板及左帮各布置3个，右帮布置1个。其中2号、3号和4号动态压力传感器布置在巷道顶板，5号、6号和7号动态压力传感器布置在巷道左帮，8号、9号和10号动态压力传感器布置在巷道底板，动态应力采用WS-5921/N60216-C16数据采集仪进行监测，压力传感器及扰动位置布置如图5所示。

2.4 扰动源

扰动源采用人工震源模拟，选用6 g黑火药作为实验用药，将导火线穿入直径0.5 cm的细管，并通过保鲜膜及透明胶带将其黏结在一起进行封装，以确保实验过程中的每次爆破顺利完成，扰动位置如图5(b)所示。扰动顺序：左帮1号、2号和3号，底板1号、2号和3号，顶板1号、2号，分别距巷道50、35、20 cm。

图5 传感器及扰动位置布置Fig.5 Sensor and disturbance location layout

根据21141运输巷工程地质条件，埋深684 m，则铅直应力17.94 MPa，侧压力系数取1.0，则侧压力为17.94 MPa。经应力相似比，换算到模型上的铅直应力为0.45 MPa，侧应力为0.45 MPa。模型施加应力前模型前后用约束板进行约束，巷道围岩应力场施加稳定后，将约束板拆除，在巷道围岩设计位置处打爆破孔，将制作好的扰动源放入孔内，进行封孔，引爆导线，并记录巷道围岩动态应力。巷道周边施加动力扰动后，动态应力峰值见表4。

表4 动态应力峰值Tab.4 Peak of dynamic stress

由表4可知，巷道左帮施加扰动后，随着扰动位置距巷道左帮靠近，巷道周边动态应力峰值变化如下：顶板动态应力传感器2号、4号峰值均逐渐增大，分别增大约59.8%和14.2%；
3号峰值先增大后减小，减小约2.6%。左帮动态应力传感器5号、6号和7号峰值均逐渐增大，分别增大约216.7%、278.3%、208.2%，其中6号峰值应力增加最大。底板动态应力传感器8号、9号和10号峰值均逐渐增大，分别增大约42.9%、100.8%、62%。其中，9号峰值应力增加最大。巷道底板施加扰动后，随着扰动位置向巷道底板靠近，巷道周边动态应力峰值变化如下：顶板动态应力传感器2号、3号和4号峰值均逐渐增大，分别增大约21.7%、30.8%和30.7%，其中3号峰值应力增加最大。左帮动态应力传感器5号、6号和7号峰值均逐渐增大，分别增大约57.5%、12.96%和38.7%，其中5号峰值应力增加最大。底板动态应力传感器8号、9号和10号峰值均逐渐增大，分别增大约744.2%、91%和34.1%，其中8号峰值应力增加最大。巷道顶板施加扰动后，随着扰动位置向巷道顶板靠近，巷道周边动态应力峰值变化如下：顶板动态应力传感器2号、3号、4号峰值均逐渐增大，分别增大约23.3%、7%、16.7%，其中2号峰值应力增大最大。左帮动态应力传感器5号、6号、7号峰值均逐渐增大，分别增大约11.1%、18.5%、21.6%，其中7号峰值应力增大最大。底板动态应力传感器8号、9号、10号峰值均逐渐增大，分别增大约11.6%、37.1%、30.2%，其中9号峰值应力增大最大。

综上分析可知，巷道周边施加动力扰动后，扰动位置与巷道距离越近，巷道顶底板及左帮动态应力越大。在巷道左帮扰动后，底板动态应力大于左帮和顶板，且左帮和底板动态应力增大速度相当，顶板最小；
在巷道底板扰动后，底板动态应力大于左帮和顶板，且顶板和左帮动态应力增大速度相当，底板最大；
在巷道顶板扰动后，顶板动态应力大于底板和左帮，且顶板和底板动态应力增大速度相当，左帮最小。

(1)设计并制作了PVDF传感器的外壳并对其进行封装，通过将标准传感器和PVDF传感器预埋砂蜡材料制作的试块中，完成了PVDF传感器的动态标定，得到其电荷灵敏度系数。并证明了PVDF传感器测试动态应力的可靠性，以及PVDF传感器作为预埋件直接测试技术的可行性。

(2)巷道周边施加动力扰动后，扰动位置与巷道距离越近，巷道顶底板及左帮动态应力越大。在巷道左帮扰动后，底板动态应力大于左帮和顶板，且左帮和底板动态应力增大速度相当，顶板最小；
在巷道底板扰动后，底板动态应力大于左帮和顶板，且顶板和左帮动态应力增大速度相当，底板最大；
在巷道顶板扰动后，顶板动态应力大于底板和左帮，且顶板和底板动态应力增大速度相当，左帮最小。

(3)验证了PVDF传感器测试动态应力的可靠性，以及PVDF传感器作为预埋件直接测试技术的可行性。