淺談壓電膜傳感器的應(yīng)用

揭 峰

(江西渝州科技職業(yè)學(xué)院，江西 新余 338029)

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(dòng)的諧頻率很高，可以得到較寬的平坦響應(yīng)，頻響寬度遠(yuǎn)優(yōu)于普通壓電陶瓷換能器；壓電膜優(yōu)點(diǎn)如下：（1）良好的工藝性?？捎矛F(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行加工；（2）能制作大面積的敏感元件；（3）頻帶響應(yīng)寬(0～500MHz)；（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(qiáng)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(shí)這種性能是必需的)；（7）相對(duì)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(jī)械工程領(lǐng)域用于。（1）振動(dòng)測(cè)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(dòng)傳感器或瞬態(tài)開關(guān)使用,可輸出數(shù)字信號(hào),有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn),已經(jīng)用于面板開關(guān)、裝配線計(jì)數(shù)、齒輪計(jì)數(shù)器和彈子游戲機(jī)的碰撞檢測(cè)計(jì)數(shù)等方面。（2）加速度計(jì)。它以薄膜為敏感元件,在直角相交的3個(gè)方向上分別安置了傳感元件,可測(cè)量X,Y,Z 3個(gè)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0.5Hz～5kHz,已經(jīng)在動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試、系統(tǒng)控制、振動(dòng)開關(guān)、貨運(yùn)監(jiān)控和計(jì)算機(jī)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(shí)、防水,且可做得很長(zhǎng)。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(cè)量結(jié)構(gòu)振動(dòng)所引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)變,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè);將先進(jìn)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(shí)時(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊、損傷、缺陷等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,實(shí)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(fèi)用;采用壓電傳感器和執(zhí)行器對(duì)剛架橋梁的螺釘松動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè);還可以利用壓電傳感器測(cè)量材料破壞時(shí)的聲發(fā)射信號(hào),從而得知裂紋的位置,以及通過測(cè)量沖擊激起的彈性波信號(hào)實(shí)現(xiàn)沖擊的定位等。

在交通行車安全監(jiān)測(cè)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(jì)軸數(shù)、測(cè)軸距、車輛分類統(tǒng)計(jì)、車速監(jiān)測(cè)、闖紅燈拍照、泊車區(qū)域監(jiān)控、收費(fèi)站地磅、交通信息采集和統(tǒng)計(jì)。在客車上安裝傳感器監(jiān)測(cè)車輛的振動(dòng)狀況。在軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用國(guó)外采用壓電加速度傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)向架軸箱加速度,進(jìn)行軌道不平順檢測(cè)。如果軌道的平順狀態(tài)滿足要求,高速列車的振動(dòng)和動(dòng)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(jī)車車輛部件的使用周期和維修周期也會(huì)得到延長(zhǎng)。

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(diǎn),可制成多種醫(yī)用傳感器?？捎糜谌梭w探測(cè)、熱電夜視設(shè)備、激光束探測(cè)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(shí)獲取呼吸(約0.2Hz)和心跳(約1Hz)信號(hào),并能長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用。壓電傳感器能測(cè)量溫度、質(zhì)量變化、力的強(qiáng)度以及加速度等。氣體檢測(cè)包括一系列無機(jī)氣體和有機(jī)蒸氣，可模擬動(dòng)物的嗅覺。在溶液中的檢測(cè)包括無機(jī)和有機(jī)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(biāo)：（1）靈敏度。靈敏度是傳感器的一項(xiàng)重要指標(biāo),是指在一定機(jī)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?jìng)鞲衅鹘邮盏降牟凰p信號(hào)的頻率范圍。普通的加速度計(jì)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(duì)使用環(huán)境條件有較強(qiáng)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(hào)很多,每種型號(hào)都對(duì)應(yīng)有特別適用的某些用途,為獲得高保真的測(cè)試數(shù)據(jù),必須根據(jù)測(cè)試的使用要求,選擇最適合的壓電傳感器。明確被測(cè)對(duì)象重量,傳感器作為被測(cè)物的附加質(zhì)量,要求所選用的傳感器其質(zhì)量。遠(yuǎn)小于被測(cè)物體的動(dòng)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(qiáng),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(shí)考慮到與后續(xù)測(cè)量電路的匹配，被測(cè)盡量遠(yuǎn)離傳感器量程范圍內(nèi)最小值。另外,還需估算被測(cè)物最大測(cè)量極限時(shí)所對(duì)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(shí)考慮傳感器本身非線性影響。具體估算方法為最大輸出電壓。（3）常見的惡劣環(huán)境有三種高溫、潮濕、電磁場(chǎng)。處于這些場(chǎng)合下的加速度計(jì)如不采取措施,則會(huì)給測(cè)量帶來極大的誤差。

［1］郁有文.傳感器原理及工程應(yīng)用[J].西安電子科技大學(xué)，2008，09.