淺談壓電膜傳感器的應(yīng)用

1、淺談壓電膜傳感器的應(yīng)用 【摘 要】壓電膜是一種柔軟、質(zhì)輕、高韌度塑料薄膜，可以根據(jù)需要制成各種形狀，厚度的元件。與微電子技術(shù)結(jié)合，能制成多功能傳感元件。壓電傳感器以其獨特的性能在減振降噪、健康監(jiān)測、形狀自適應(yīng)控制、損傷監(jiān)測等方面發(fā)揮著重要作用。 【關(guān)鍵詞】壓電；傳感器；應(yīng)用 壓電膜具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、低吸濕性、高熱穩(wěn)定性、高抗紫外線輻射能力、高耐沖擊、耐疲勞能力，其化學(xué)穩(wěn)定性高。壓電膜質(zhì)地柔軟、重量輕，與水的聲阻抗相近，匹配狀態(tài)好，應(yīng)用靈敏度高；壓電膜在厚度方向的伸縮振動的諧頻率很高，可以得到較寬的平坦響應(yīng)，頻響寬度遠優(yōu)于普通壓電陶瓷換能器；壓電膜優(yōu)點如下：（1）良好的工藝性?？捎矛F(xiàn)有設(shè)備進

2、行加工；（2）能制作大面積的敏感元件；（3）頻帶響應(yīng)寬（0500mhz）；（4）聲阻抗接近于人體組織和水，所以可用于醫(yī)療診斷的敏感裝置結(jié)構(gòu)中；（5）具有高沖擊強度（可使用于沖擊波的傳感器中）；（6）耐腐蝕性（在活性介質(zhì)中使用時這種性能是必需的）；（7）相對介電常數(shù)較低；（8）與壓電陶瓷相比有更低的導(dǎo)熱性；并能制得更薄的薄膜。 在機械工程領(lǐng)域用于。（1）振動測試的壓電薄膜傳感器。它的主要部分是以薄膜敏感元件（pfs）貼于片狀不銹鋼懸臂上，并附有匹配、放大電路。這種開關(guān)可作為沖擊/振動傳感器或瞬態(tài)開關(guān)使用，可輸出數(shù)字信號，有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)平穩(wěn)、無行程、厚度薄、可靠性高，且不需調(diào)整的特點，已經(jīng)用于面

3、板開關(guān)、裝配線計數(shù)、齒輪計數(shù)器和彈子游戲機的碰撞檢測計數(shù)等方面。（2）加速度計。它以薄膜為敏感元件，在直角相交的3個方向上分別安置了傳感元件，可測量x，y，z 3個方向的加速度，外形與貼裝式集成電路相當(dāng)，頻率響應(yīng)范圍為0.5hz5khz，已經(jīng)在動態(tài)信號測試、系統(tǒng)控制、振動開關(guān)、貨運監(jiān)控和計算機外設(shè)等方面得到大量的應(yīng)用。（3）壓電電纜。這種壓電電纜外表與一般的同軸電纜相似，但它的芯線與屏蔽層之間的絕緣材料由薄膜制成，這樣，既是電纜，又是傳感器，靈活、結(jié)實、防水，且可做得很長。既可埋設(shè)于地下或置于水下，也可以安裝于柵欄或圍墻。 在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用。采用壓電傳感器測量結(jié)構(gòu)振動所引起的動態(tài)應(yīng)變，實現(xiàn)

4、結(jié)構(gòu)的振動監(jiān)測；將先進的傳感元器件網(wǎng)絡(luò)嵌入或以其他方式集成在傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)中，通過在線實時獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的信息（如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等），對結(jié)構(gòu)的沖擊、損傷、缺陷等狀態(tài)進行實時監(jiān)測和控制，實現(xiàn)健康自診斷，以保證工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的安全可靠及降低維修費用；采用壓電傳感器和執(zhí)行器對剛架橋梁的螺釘松動情況進行監(jiān)測；還可以利用壓電傳感器測量材料破壞時的聲發(fā)射信號，從而得知裂紋的位置，以及通過測量沖擊激起的彈性波信號實現(xiàn)沖擊的定位等。 在交通行車安全監(jiān)測中的應(yīng)用。隨著全球智能交通技術(shù)的發(fā)展，壓電傳感器主要應(yīng)用于行駛中稱重、計軸數(shù)、測軸距、車輛分類統(tǒng)計、車速監(jiān)測、闖紅燈拍照、泊車區(qū)域監(jiān)控、收費站地磅

5、、交通信息采集和統(tǒng)計。在客車上安裝傳感器監(jiān)測車輛的振動狀況。在軌道狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用國外采用壓電加速度傳感器測量轉(zhuǎn)向架軸箱加速度，進行軌道不平順檢測。如果軌道的平順狀態(tài)滿足要求，高速列車的振動和動作用力都不太大，行車安全和平穩(wěn)舒適性就能得到保證，軌道和機車車輛部件的使用周期和維修周期也會得到延長。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用利用壓電薄膜的、熱電特性以及柔軟性，與人體皮膚匹配性好的特點，可制成多種醫(yī)用傳感器?？捎糜谌梭w探測、熱電夜視設(shè)備、激光束探測等方面。壓電pvdf薄膜的頻率響應(yīng)范圍很寬，其低限截止頻率約為0.001hz，因此，用pvdf壓電薄膜做成松緊性胸帶或腰帶，通過匹配不同的電荷放大器可以同時獲取呼

6、吸（約0.2hz）和心跳（約1hz）信號，并能長期、實時監(jiān)測。 在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用。壓電傳感器能測量溫度、質(zhì)量變化、力的強度以及加速度等。氣體檢測包括一系列無機氣體和有機蒸氣，可模擬動物的嗅覺。在溶液中的檢測包括無機和有機化合物，和生物反應(yīng)結(jié)合已出現(xiàn)多種質(zhì)量免疫傳感器。 壓電膜傳感器技術(shù)指標：（1）靈敏度。靈敏度是傳感器的一項重要指標，是指在一定機械量作用下，傳感器輸出的電荷電壓數(shù)。傳感器的靈敏度有兩種表現(xiàn)方式電荷靈敏度和電壓靈敏度。（2）頻響范圍。頻響范圍是指傳感器接收到的不衰減信號的頻率范圍。普通的加速度計因其結(jié)構(gòu)、體積、重量、材料的不同，其自身的頻率響應(yīng)各不相同。（3）最大橫向靈敏度比。一只

7、性能好的壓電pvd式傳感器，最大橫向靈敏度比不大于主軸靈敏度。（4）其他性能。由于傳感器是在各種環(huán)境條件下使用的，因此要求其對使用環(huán)境條件有較強的適應(yīng)性。 壓電傳感器使用技術(shù)要素：（1）壓電傳感器的選用原則壓電傳感器型號很多，每種型號都對應(yīng)有特別適用的某些用途，為獲得高保真的測試數(shù)據(jù)，必須根據(jù)測試的使用要求，選擇最適合的壓電傳感器。明確被測對象重量，傳感器作為被測物的附加質(zhì)量，要求所選用的傳感器其質(zhì)量。遠小于被測物體的動態(tài)質(zhì)量。各參數(shù)的綜合考慮。（2）通常，傳感器靈敏度越高，質(zhì)量越大，系統(tǒng)的信噪比越高，抗干擾能力和分辨率也越強，但量程和諧振頻率卻越低，穩(wěn)定性越差即靈敏度、重量、頻率相應(yīng)和量程等參數(shù)是互相制約，互札影響的。具體選用時考慮到與后續(xù)測量電路的匹配，被測盡量遠離傳感器量程范圍內(nèi)最小值。另外，還需估算被測物最大測量極限時所對應(yīng)的最大輸出電壓，以保證估算所得電量值不得趕過后續(xù)配套儀器的最大輸人電荷電壓，同時考慮傳感器本身非線性影響。具體估算方