Page 135 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 钱秉文，等： 超高速撞击条件下混凝土靶体内 应力波的测量和分析 第 5 期

示。工况 1 下，PVDF 压电应力计的电荷和应力的离散性较大，动态灵敏度系数约为 28 pC/N，大于静态
条件下的灵敏度系数（21 pC/N）。工况 2 下，PVDF 压电应力计的电荷和应力的一致性较好，动态灵敏度
系数约为 17.5 pC/N。对比 2 个工况可知，PVDF 压电应力计受应力集中影响，在标定和测试中应尽量避
免应力集中。
(2) 多次重复加载的影响
动态实验中，PVDF 压电应力计通常被视为一次性物品，不推荐重复使用。但由于工艺问题导致部
分传感器的动态灵敏度系数的离散性较大，因此，在使用前需要对 PVDF 压电应力计进行标定，剔除异
常传感器，从而需要探索重复加载对测试信号的影响。

采用一枚封装好的 PVDF 压电应力计，进行 24
First
了 2 轮标定实验，最高应力约为 60 MPa（该应力 20 Second
条件下，PVDF 压电应力计无可见的塑性变形和
18
损伤 [20] ）。第 1 轮标定开展了 7 次实验，压电应
力计的受力范围为 480～1 400 N；第 2 轮标定也 Q/nC 16
开展了 7 次实验，压电应力计的受力范围为 770～ 12
1 620 N。2 轮标定结果如图 8 所示，2 轮实验中
8
的动态灵敏度系数的误差不超过 5%。因此，对
4
于低应力范围（小于 60 MPa）的标定实验，PVDF 0.4 0.8 1.2 1.6
压电应力计可重复使用。 F/kN
标定实验中，少量 PVDF 压电应力计的动态 图 8 重复加载时 PVDF 压电应力计的电荷-应力曲线
灵敏度系数明显偏小，说明该 PVDF 压电应力计 Fig. 8 Charge-stress curve of PVDF piezoelectric
stress sensor under repeated loading
的一致性不足。其原因可能有两方面：一是薄膜
制备工艺，即薄膜本身存在一定的离散度；二是传感器制备工艺，如导线厚度、搭接质量、搭接面积、封
装工艺等都会影响传感器的灵敏度。为解决这一问题，在低压范围内（小于 60 MPa）对每 1 枚传感器进
行测试，如果其动态灵敏度系数偏差达到 10% 以上，则剔除该传感器。筛选后的压电应力计，可采用平
均动态灵敏度系数进行参数标定。

1.2.3 标定结果
应力为 0～220 MPa 范围内，PVDF 压电应 100
力计的电荷-应力曲线如图 9 所示。标定时，18 Normal
Abnormal
枚传感器中有 4 枚传感器的输出电荷量明显偏 80 Fit of normal data
小 ， 拟 合 时 需 剔 除 这 些 传 感 器 的 数 据 ， 拟 合 结
Q/nC
果为： 60
2
Q = (17.5±0.5)F R = 0.99 (2)
40
2
式中：Q 和 F 的单位分别为 pC 和 kN，R 为决定
系数。由式 (2) 可知，PVDF 压电应力计的动态
20
压电系数 K 为 (17.5±0.5) pC/N；r 为 2 0.99，说明除 2 3 4 5
去剔除异常传感器后，其余传感器的动态灵敏度 F/kN
系数的一致性较好。另外，透射波的应变信号 图 9 PVDF 压电应力计的动态标定曲线
和 PVDF 压 电 应 力 计 的 测 试 信 号 （ 上 升 沿 、 峰 Fig. 9 Dynamic calibration curve of PVDF
piezoelectric stress sensor
值、下降沿等）基本吻合（图 10），说明该传感器
的测试波形质量较高。

1.3 实验结果
实施克量级的柱状 93W 钨合金弹丸以 3.08 km/s 的速度对混凝土靶进行撞击的实验。采用 PVDF

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