淺談壓電膜傳感器的應用

揭 峰

(江西渝州科技職業學院，江西 新余 338029)

壓電膜具有較高的化學穩定性、低吸濕性、高熱穩定性、高抗紫外線輻射能力、高耐沖擊、耐疲勞能力，其化學穩定性高。壓電膜質地柔軟、重量輕，與水的聲阻抗相近，匹配狀態好，應用靈敏度高；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，頻響寬度遠優于普通壓電陶瓷換能器；壓電膜優點如下：（1）良好的工藝性。可用現有設備進行加工；（2）能制作大面積的敏感元件；（3）頻帶響應寬(0～500MHz)；（4）聲阻抗接近于人體組織和水，所以可用于醫療診斷的敏感裝置結構中；（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(在活性介質中使用時這種性能是必需的)；（7）相對介電常數較低；（8）與壓電陶瓷相比有更低的導熱性；并能制得更薄的薄膜。

在機械工程領域用于。（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。這種開關可作為沖擊/振動傳感器或瞬態開關使用,可輸出數字信號,有結構簡單、響應平穩、無行程、厚度薄、可靠性高,且不需調整的特點,已經用于面板開關、裝配線計數、齒輪計數器和彈子游戲機的碰撞檢測計數等方面。（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,頻率響應范圍為0.5Hz～5kHz,已經在動態信號測試、系統控制、振動開關、貨運監控和計算機外設等方面得到大量的應用。（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、結實、防水,且可做得很長。既可埋設于地下或置于水下,也可以安裝于柵欄或圍墻。

在土木工程領域的應用。采用壓電傳感器測量結構振動所引起的動態應變,實現結構的振動監測;將先進的傳感元器件網絡嵌入或以其他方式集成在傳統的土木結構中,通過在線實時獲取與結構健康狀況相關的信息(如應力、應變、溫度等),對結構的沖擊、損傷、缺陷等狀態進行實時監測和控制,實現健康自診斷,以保證工程結構和基礎設施的安全可靠及降低維修費用;采用壓電傳感器和執行器對剛架橋梁的螺釘松動情況進行監測;還可以利用壓電傳感器測量材料破壞時的聲發射信號,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沖擊的定位等。

在交通行車安全監測中的應用。隨著全球智能交通技術的發展,壓電傳感器主要應用于行駛中稱重、計軸數、測軸距、車輛分類統計、車速監測、闖紅燈拍照、泊車區域監控、收費站地磅、交通信息采集和統計。在客車上安裝傳感器監測車輛的振動狀況。在軌道狀態監測中的應用國外采用壓電加速度傳感器測量轉向架軸箱加速度,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。

在醫學領域的應用利用壓電薄膜的、熱電特性以及柔軟性,與人體皮膚匹配性好的特點,可制成多種醫用傳感器。可用于人體探測、熱電夜視設備、激光束探測等方面。壓電PVDF薄膜的頻率響應范圍很寬,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吸(約0.2Hz)和心跳(約1Hz)信號,并能長期、實時監測。

在環境領域應用。壓電傳感器能測量溫度、質量變化、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，和生物反應結合已出現多種質量免疫傳感器。

壓電膜傳感器技術指標：（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。傳感器的靈敏度有兩種表現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構、體積、重量、材料的不同,其自身的頻率響應各不相同。（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境條件下使用的,因此要求其對使用環境條件有較強的適應性。

壓電傳感器使用技術要素：（1）壓電傳感器的選用原則壓電傳感器型號很多,每種型號都對應有特別適用的某些用途,為獲得高保真的測試數據,必須根據測試的使用要求,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量,要求所選用的傳感器其質量。遠小于被測物體的動態質量。各參數的綜合考慮。（2）通常,傳感器靈敏度越高,質量越大,系統的信噪比越高,抗干擾能力和分辨率也越強,但量程和諧振頻率卻越低,穩定性越差即靈敏度、重量、頻率相應和量程等參數是互相制約,互札影響的。具體選用時考慮到與后續測量電路的匹配，被測盡量遠離傳感器量程范圍內最小值。另外,還需估算被測物最大測量極限時所對應的最大輸出電壓,以保證估算所得電量值不得趕過后續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。具體估算方法為最大輸出電壓。（3）常見的惡劣環境有三種高溫、潮濕、電磁場。處于這些場合下的加速度計如不采取措施,則會給測量帶來極大的誤差。

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