柔性精密测量技术在小型化载荷微小应变监测方面的应用

柔性PZT压电薄膜作为新型智能材料，具有小型化、轻量化及柔韧性优良等特点，能够在不增加被测对象额外负荷的情况下实现共形设计，适用于非平坦和复杂曲面的应变监测。与传统刚性压电陶瓷或应变片相比，柔性PZT薄膜不仅解决了传感器体积大、柔性差等问题，而且在高温、高湿及腐蚀环境中仍能稳定工作。在此重点分析柔性PZT压电薄膜在小型化载荷如航天器、无人机、无人车、无人船及水下无人潜航器UUV等微小应变监测中的应用优势。

1 引言

随着航空航天、无人系统及精密制造的发展，载荷逐渐向小型化、轻量化方向演进。对于此类结构，传统刚性传感器不仅难以贴敷在非平整表面，而且会因自身尺寸与重量对被测载荷造成干扰，影响测试精度。因此，开发一种能够共形贴合、实时感知微小应变的新型传感器材料，成为工程测试与结构健康监测领域的重要需求。

柔性PZT压电薄膜兼具压电效应与柔性特性，能够在复杂曲面上实现高灵敏度应变测量。其可检测应变量级达到10⁻⁸，极大拓展了微小应变实时监测的可能性。

2 柔性PZT压电薄膜的材料特性

柔性PZT压电薄膜主要通过溶胶-凝胶法、溅射沉积或化学气相沉积等方法制备于柔性基底上，具有以下特点：

• 小、轻、柔、薄：厚度可控在微米级，重量轻，不影响被测结构的动力学特性。
• 共形能力强：能够贴合复杂或非平整表面，保持良好传感性能。
• 环境适应性好：耐高温、耐潮湿、耐腐蚀，适合复杂环境下长期监测。
• 高灵敏度：最小可感知形变量级达到10⁻⁸，远超传统应变片。
• 温度稳定性好：

3 在小型化载荷应变监测中的应用优势

3.1 共形设计与贴合能力

柔性PZT薄膜能够在航天器、无人机、无人车等复杂外形的结构表面实现贴敷，无需改变被测对象几何结构，避免了传统传感器对被测对象的额外干扰。

3.2 微小应变实时监测

对于小型化载荷，结构受力产生的应变往往处于极低量级。柔性PZT薄膜凭借其高灵敏度，能够实时捕捉10⁻⁸量级的应变变化，为载荷监测和故障预警提供可靠依据。

3.3 轻量化与低侵入性

传统传感器由于体积大、重量高，会改变被测对象的动力学特性，甚至干扰实际载荷分布。而柔性PZT薄膜几乎不增加附加载荷，实现“零干扰”监测，特别适用于无人机、UUV等小型平台。

3.4 适应复杂环境

在航天、海洋及野外环境中，传感器需经受温度波动、湿度变化及腐蚀介质的影响。柔性PZT薄膜具备优良的环境适应性，且温度稳定性极佳，能够保证监测的长期稳定性。

总之：

柔性PZT压电薄膜凭借其小型化、柔性化和高灵敏度的独特优势，为小型化载荷的微小应变监测提供了全新解决方案。其共形贴合能力和实时监测特性不仅解决了传统传感器难以应用的问题，也为航空航天、无人系统及水下探测等高精尖领域的结构健康监测开辟了新路径。

可用于：

• 航天器载荷的实时结构健康监测；
• 无人机机翼及机身应变监测；
• 无人车及无人船体结构受力监测；
• 水下无人潜航器在高压水环境中的应变监测；

等小型化载荷微小应变实时精密监测！