壓電傳感器簡(jiǎn)介

　　壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電材料 它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。

　　壓電傳感器主要參數(shù)

　　（1）壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)， 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。

　　（2）壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。

　　（3）對(duì)于一定形狀、 尺寸的壓電元件， 其固有電容與介電常數(shù)有關(guān); 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

　　（4）在壓電效應(yīng)中，機(jī)械耦合系數(shù)等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根; 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。

　?。?）壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏， 從而改善壓電傳感器的低頻特性。

　?。?）壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)溫度。

　　壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

　　壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。壓電晶體可長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)到400℃以上，瞬間（10個(gè)毫秒級(jí)）沖擊溫度可達(dá)4000K以上，可承受很高的表面壓力（》150N/mm2）、剛度很高、線性好、遲滯小、在很寬的溫度范圍內(nèi)靈敏度恒定、頻響范圍寬、可承受幾乎無(wú)限的載荷循環(huán)數(shù)，絕緣阻抗非常高。

　　另外，由于石英晶體的高剛度，測(cè)量時(shí)相應(yīng)的材料變形極小，一般在幾微米之內(nèi)，石英敏感元件的高固有頻率特別適合于快速和動(dòng)態(tài)過(guò)程的測(cè)量，它們不僅可以用于研發(fā)，也被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和試驗(yàn)過(guò)程。由于測(cè)量過(guò)程中幾無(wú)形變，所以緩慢或準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程測(cè)量的誤差很小。壓電式傳感器的缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。

　　壓電傳感器的應(yīng)用

　　1、用于減振降躁

　　壓電智能結(jié)構(gòu)在振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究開展得最早，研究成果也較豐富，主要集中于大型航天柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常有三種方法， 即主動(dòng)控制、被動(dòng)控制及主被動(dòng)混合控制。被動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低，但缺少控制上的靈活性，對(duì)突發(fā)性環(huán)境變化應(yīng)變能力差；與被動(dòng)控制相比，主動(dòng)控制以現(xiàn)代控制理論為主要工具，具有較大的靈活性，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，是當(dāng)前振動(dòng)工程中的一個(gè)研究熱點(diǎn)；被動(dòng)控制與主動(dòng)控制相結(jié)合形成混合控制策略是當(dāng)前振動(dòng)工程的一個(gè)新興方向。壓電智能結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要應(yīng)用方向是噪聲主動(dòng)控制。主要用于潛艇、飛行器以及車輛等三維封閉空間內(nèi)部噪聲的控制。與壁板振動(dòng)主動(dòng)控制不同之處在于振動(dòng)控制是控制板的模態(tài)，而噪聲控制則主要是控制產(chǎn)生聲強(qiáng)的部分。

　　2、用于結(jié)構(gòu)靜變形控制

　　通過(guò)控制壓電智能結(jié)構(gòu)的變形可以調(diào)整結(jié)構(gòu)的幾何形狀，維護(hù)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的外形和位置，這在空間站及其他空間飛行器及柔性機(jī)械的控制中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。如在空間飛行器中，可通過(guò)控制精確結(jié)構(gòu)的變形，以保證空間天線反射器、望遠(yuǎn)鏡等精密儀器正常工作；在機(jī)器人中，通過(guò)壓電元件控制柔性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，可提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度。

　　3、用于結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)

　　應(yīng)用壓電傳感元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)主要有兩種方式，其一是用壓電傳感器來(lái)精確感知結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的變化，并通過(guò)進(jìn)一步地計(jì)算和分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)；另一種則是通過(guò)分析結(jié)構(gòu)中傳播的振動(dòng)波來(lái)進(jìn)行損傷預(yù)測(cè)。這兩種方式可以為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定與損傷定位提供可靠信息，從而為土木工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)健康檢測(cè)提供了新的方法。

　　4、用于加工工藝監(jiān)測(cè)

　　壓電式力、應(yīng)力、振動(dòng)及聲發(fā)射傳感器因其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代化自動(dòng)控制制造業(yè)中狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理想選擇。對(duì)于磨削、鉆孔和攻絲，采用最新的遙測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)一種新穎的石英多分量力及力矩的傳感器，這種新型的旋轉(zhuǎn)切削測(cè)力計(jì)可以直接安裝在軸和刀具之間，直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)刀具的切削力，對(duì)分析計(jì)劃生產(chǎn)過(guò)程和確定用于實(shí)際生產(chǎn)中選擇最佳切削參數(shù)都具有重要的意義。金屬加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，其中含有豐富的信息，其最重要的價(jià)值是對(duì)零件所產(chǎn)生的缺陷及初始故障能給出可靠的指示。一種創(chuàng)新的雙用傳感器將聲發(fā)射傳感器與三分量測(cè)力傳感器合二為一，將這種雙用傳感器安裝在車床夾具的適當(dāng)位置，就可以連續(xù)監(jiān)測(cè)切削力、進(jìn)刀力和被動(dòng)力的大小以及相關(guān)的聲發(fā)射信號(hào)。

　　5、用于車輛行駛稱重

　　壓電傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車軸數(shù)、車速、軸距、行駛中車輛載重量的信息進(jìn)行收集并加以分析，從而在智能交通系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用。如美國(guó)MSI公司研究開發(fā)的共聚物壓電軸傳感器，可獲取精確的速度信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和分類信息及長(zhǎng)期反饋交通信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。巴西、德國(guó)、日本和韓國(guó)在壓電檢測(cè)的車輛行駛中稱重功能方面也有大量的應(yīng)用。

　　6、用于壓電傳感電纜

　　人們最近開發(fā)出一種壓電層較厚的同軸電纜形式的PVF2壓電材料——PVF2壓電電纜。這種壓電電纜用連續(xù)工藝生產(chǎn)，長(zhǎng)度可達(dá)幾千米，直徑為1.5mm。它能把聲音、振動(dòng)、沖擊、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使用方法非常靈活，它克服了壓電薄膜及壓電陶瓷的缺點(diǎn)和使用的局限性，展現(xiàn)出很大的應(yīng)用前景。它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：水聲學(xué)、沖擊傳感、振動(dòng)傳感、入侵報(bào)警和安全防衛(wèi)、交通流量統(tǒng)計(jì)、應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量、工業(yè)控制與檢測(cè)等。

　　7、用于航空和航海

　　由Sigma 研究公司研制而成的“便攜式自動(dòng)遠(yuǎn)程檢查系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱PARIS，專門為對(duì)大面積層狀結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位檢查而設(shè)計(jì)。其關(guān)鍵元件是一個(gè)200mm×200mm的可變形PVDF壓電薄膜，其中含有1024 個(gè)換能器。這種膜的柔韌性很好，能夠與曲率半徑為4的彎曲表面完全貼合。與它相連的裝置還有一個(gè)手提控制器、數(shù)據(jù)采樣器和顯示裝置等。這種接收器的總信噪比達(dá)100dB，中心頻率為2.5MHz。飛機(jī)上的石墨—環(huán)氧樹脂復(fù)合物或艦艇上的大型結(jié)構(gòu)都可以用它來(lái)進(jìn)行很方便的測(cè)試。而對(duì)于鋁和鋼的測(cè)試，這方面早已獲得了令人滿意的結(jié)果。

　　8、壓電式報(bào)警器

　　玻璃破碎報(bào)警裝置它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。傳感器的最小輸出電壓為100 mV，最大輸出電壓為100 V，內(nèi)阻抗為15～20 kq。玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出幾千赫茲至幾十千赫茲的振動(dòng)，使用時(shí)將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上，感受這一振動(dòng)，然后通過(guò)電纜和報(bào)警電路相連，將壓電信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。為了提高報(bào)警器的靈敏度，信號(hào)經(jīng)放大后，再經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。玻璃振動(dòng)的波長(zhǎng)在音頻和超聲波的范圍內(nèi)，這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí)，才會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。玻璃破碎報(bào)警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其他商品柜臺(tái)保管等場(chǎng)合。