壓電傳感器簡介

　　壓電傳感器是利用某些電介質受力后產生的壓電效應制成的傳感器。所謂壓電效應是指某些電介質在受到某一方向的外力作用而發生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內部電荷的極化現象，會在其表面產生電荷的現象。壓電材料 它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料。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

　　（1）壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數， 它直接關系到壓電輸出的靈敏度。

　　（2）壓電材料的彈性常數、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特性。

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

　　（4）在壓電效應中，機械耦合系數等于轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根; 它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數。

　　（5）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。

　　（6）壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點溫度。

　　壓電式傳感器的優點與缺點

　　壓電式傳感器的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。壓電晶體可長期工作溫度可達到400℃以上，瞬間（10個毫秒級）沖擊溫度可達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靈敏度恒定、頻響范圍寬、可承受幾乎無限的載荷循環數，絕緣阻抗非常高。

　　另外，由于石英晶體的高剛度，測量時相應的材料變形極小，一般在幾微米之內，石英敏感元件的高固有頻率特別適合于快速和動態過程的測量，它們不僅可以用于研發，也被廣泛用于工業生產和試驗過程。由于測量過程中幾無形變，所以緩慢或準靜態過程測量的誤差很小。壓電式傳感器的缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。

　　壓電傳感器的應用

　　1、用于減振降躁

　　壓電智能結構在振動控制中的應用研究開展得最早，研究成果也較豐富，主要集中于大型航天柔性結構的振動控制。控制系統的設計通常有三種方法， 即主動控制、被動控制及主被動混合控制。被動控制系統結構簡單、容易實現、成本低，但缺少控制上的靈活性，對突發性環境變化應變能力差；與被動控制相比，主動控制以現代控制理論為主要工具，具有較大的靈活性，對環境的適應能力強，是當前振動工程中的一個研究熱點；被動控制與主動控制相結合形成混合控制策略是當前振動工程的一個新興方向。壓電智能結構的另一個重要應用方向是噪聲主動控制。主要用于潛艇、飛行器以及車輛等三維封閉空間內部噪聲的控制。與壁板振動主動控制不同之處在于振動控制是控制板的模態，而噪聲控制則主要是控制產生聲強的部分。

　　2、用于結構靜變形控制

　　通過控制壓電智能結構的變形可以調整結構的幾何形狀，維護結構準確的外形和位置，這在空間站及其他空間飛行器及柔性機械的控制中具有重要的應用價值。如在空間飛行器中，可通過控制精確結構的變形，以保證空間天線反射器、望遠鏡等精密儀器正常工作；在機器人中，通過壓電元件控制柔性機械臂運動，可提高機械手的運動精度。

　　3、用于結構損傷監測

　　應用壓電傳感元件進行結構損傷監測主要有兩種方式，其一是用壓電傳感器來精確感知結構力學性質的變化，并通過進一步地計算和分析，對結構的損傷進行預測；另一種則是通過分析結構中傳播的振動波來進行損傷預測。這兩種方式可以為結構的安全評定與損傷定位提供可靠信息，從而為土木工程結構長期、實時健康檢測提供了新的方法。

　　4、用于加工工藝監測

　　壓電式力、應力、振動及聲發射傳感器因其具有獨特的優點成為現代化自動控制制造業中狀態監測的理想選擇。對于磨削、鉆孔和攻絲，采用最新的遙測技術設計一種新穎的石英多分量力及力矩的傳感器，這種新型的旋轉切削測力計可以直接安裝在軸和刀具之間，直接測量旋轉刀具的切削力，對分析計劃生產過程和確定用于實際生產中選擇最佳切削參數都具有重要的意義。金屬加工過程中會產生聲發射現象，其中含有豐富的信息，其最重要的價值是對零件所產生的缺陷及初始故障能給出可靠的指示。一種創新的雙用傳感器將聲發射傳感器與三分量測力傳感器合二為一，將這種雙用傳感器安裝在車床夾具的適當位置，就可以連續監測切削力、進刀力和被動力的大小以及相關的聲發射信號。

　　5、用于車輛行駛稱重

　　壓電傳感技術與網絡技術和視頻技術相結合可以實現對車軸數、車速、軸距、行駛中車輛載重量的信息進行收集并加以分析，從而在智能交通系統中發揮重大作用。如美國MSI公司研究開發的共聚物壓電軸傳感器，可獲取精確的速度信號、觸發信號和分類信息及長期反饋交通信息統計數據。巴西、德國、日本和韓國在壓電檢測的車輛行駛中稱重功能方面也有大量的應用。

　　6、用于壓電傳感電纜

　　人們最近開發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工藝生產，長度可達幾千米，直徑為1.5mm。它能把聲音、振動、沖擊、壓力、應力和應變轉換為電信號，使用方法非常靈活，它克服了壓電薄膜及壓電陶瓷的缺點和使用的局限性，展現出很大的應用前景。它的主要應用領域是：水聲學、沖擊傳感、振動傳感、入侵報警和安全防衛、交通流量統計、應變應力測量、工業控制與檢測等。

　　7、用于航空和航海

　　由Sigma 研究公司研制而成的“便攜式自動遠程檢查系統”，簡稱PARIS，專門為對大面積層狀結構或復合結構進行原位檢查而設計。其關鍵元件是一個200mm×200mm的可變形PVDF壓電薄膜，其中含有1024 個換能器。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手提控制器、數據采樣器和顯示裝置等。這種接收器的總信噪比達100dB，中心頻率為2.5MHz。飛機上的石墨—環氧樹脂復合物或艦艇上的大型結構都可以用它來進行很方便的測試。而對于鋁和鋼的測試，這方面早已獲得了令人滿意的結果。

　　8、壓電式報警器

　　玻璃破碎報警裝置它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統。傳感器的最小輸出電壓為100 mV，最大輸出電壓為100 V，內阻抗為15～20 kq。玻璃破碎時會發出幾千赫茲至幾十千赫茲的振動，使用時將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上，感受這一振動，然后通過電纜和報警電路相連，將壓電信號傳送給集中報警系統。為了提高報警器的靈敏度，信號經放大后，再經帶通濾波器進行濾波，要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內，這就使濾波器成為電路中的關鍵。只有當傳感器輸出信號高于設定的閾值時，才會輸出報警信號，驅動報警執行機構工作。玻璃破碎報警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其他商品柜臺保管等場合。