壓電傳感器發(fā)展研究綜述

鐘婷 刁福元 劉飛虎 許明濤

摘 要 壓電傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最常用的傳感器之一。本文綜述了國內(nèi)外壓電傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀。目前我國的壓電傳感器以電荷輸出為主，測(cè)量系統(tǒng)包括壓電傳感器和以電荷放大器為主的信號(hào)自適應(yīng)裝置。國外對(duì)TEDS傳感器、即插即用傳感器或智能傳感器進(jìn)行了研究。目前，壓電傳感器還存在理論研究階段實(shí)用性不強(qiáng)、壓電元件非線性特性不足、壓電材料壓電特性低等問題。解決方法是將理論研究應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)調(diào)試，研制聚合物壓電材料，建立壓電內(nèi)、外環(huán)元件的非線性曲線擬合模型。預(yù)計(jì)未來壓電傳感器系統(tǒng)將變得更加小型化、集成化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。

關(guān)鍵詞 壓電傳感器 壓電元件 壓電材料

中圖分類號(hào)：TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2020）02-0004-03

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。壓電傳感器因?yàn)槠漕l率響應(yīng)高、體積小、重量輕、頻帶寬等特點(diǎn)，已成為一種重要的組件，并已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、航空等領(lǐng)域。但目前，無論在國內(nèi)還是國外，傳感器技術(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于信息系統(tǒng)的其他技術(shù)，不能滿足信息技術(shù)系統(tǒng)的需求。

1 國內(nèi)外發(fā)展研究情況

目前全球傳感器市場(chǎng)主要由美國、日本、德國的幾家龍頭企業(yè)主導(dǎo)，這三個(gè)國家連同中國合計(jì)占據(jù)了全球傳感器市場(chǎng)份額的3/4，但是中國的占比僅為1/10左右，與全球生產(chǎn)的兩萬多種產(chǎn)品品種相比，我國國內(nèi)僅僅能生產(chǎn)其中的1/3，且技術(shù)含量遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家。

1.1 國內(nèi)壓電傳感器發(fā)展研究情況

中國壓電傳感器的研究和應(yīng)用比世界先進(jìn)水平至少落后10年。自20世紀(jì)70年代以來，壓電傳感器的應(yīng)用主要是為了滿足航天技術(shù)發(fā)展的需要。改革開放后，隨著國外先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)的引進(jìn)，壓電式傳感器測(cè)量引起了一定程度的重視。目前，我國壓電傳感器的主要技術(shù)水平，主要還是以電荷輸出為主，測(cè)量系統(tǒng)包括壓電傳感器和以電荷放大器為主的信號(hào)適調(diào)裝置。

當(dāng)下，國內(nèi)僅有一家產(chǎn)IEPE加速器的廠家，但完全依賴于國外提供的內(nèi)裝微電子電路，還沒有達(dá)到自主研發(fā)的階段。國內(nèi)智能傳感器研究單位主要有：中國科技大學(xué)電子科學(xué)自動(dòng)化系、華南理工大學(xué)機(jī)電工程系、東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系、中科院合肥智能機(jī)械研究所傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。

1.1.1 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展研究情況

我國對(duì)于壓電傳感器應(yīng)用于實(shí)際的研究體系龐大，通過近幾年的努力，我國在工業(yè)技術(shù)、醫(yī)藥衛(wèi)生、交通運(yùn)輸、航空航天、農(nóng)業(yè)科學(xué)、數(shù)理科學(xué)和化學(xué)、天文學(xué)和地理科學(xué)等方面的壓電傳感器應(yīng)用研究中取得了不同程度的成就。

（1）在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。早在2016年就有學(xué)者利用磁性表面分子印跡技術(shù)與壓電傳感器進(jìn)行結(jié)合，研究了一種氯霉素的檢測(cè)的新方法。[1]研究中，將磁性納米顆粒作為氯霉素磁性表面分子印跡聚合物的載體，以甲基丙烯酸為功能單體進(jìn)行聚合反應(yīng)。其中，磁性分子印跡聚合物的形態(tài)學(xué)功能、識(shí)別性能、吸附作用等則通過紫外分光光度計(jì)、紅外光譜分析儀及透射電子顯微鏡一系列儀器進(jìn)行檢測(cè)。然后將磁性表面分子印跡聚合物與壓電傳感器的敏感元件相結(jié)合，用所制備的壓電磁性表面分子印跡傳感器對(duì)氯霉素進(jìn)行檢測(cè)，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器對(duì)氯霉素有很好的結(jié)合性能和高靈敏性。

（2）在航空航天方面的應(yīng)用。近年來，我國航天事業(yè)得到了快速發(fā)展， 噪聲與振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)作為航空航天領(lǐng)域長期研究的課題，它對(duì)提高飛行舒適性、降低飛行噪聲、延長飛行器疲勞壽命具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在這方面，ASAC系統(tǒng)用于結(jié)構(gòu)噪聲的控制時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠淇山?jīng)濟(jì)有效地通過少量的作動(dòng)器控制振動(dòng)結(jié)構(gòu)表面的振速分布來抑制聲輻射，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)聲輻射的控制。其中，ASAC系統(tǒng)最關(guān)鍵問題之一就是誤差傳感器的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵诘皖l范圍內(nèi)，決定聲功率的主要影響因素就是結(jié)構(gòu)的體積位移幅值，抵消結(jié)構(gòu)表面體積位移，可以使得振動(dòng)結(jié)構(gòu)在低頻范圍內(nèi)的聲輻射大幅降低。如果能通過壓電式體積位移傳感器設(shè)計(jì)ASAC系統(tǒng)，可以大幅降低控制器的設(shè)計(jì)難度。[2]

（3）在工業(yè)技術(shù)方面的應(yīng)用。近期，有學(xué)者基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)理論推導(dǎo)了窄帶激勵(lì)下壓電纖維對(duì)Lamb波的方向傳感響應(yīng)特性，他們通過壓電耦合仿真分析，利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了不同頻率下壓電纖維的方向傳感特性，并由此提出了一種基于誤差函數(shù)的主應(yīng)變方向估計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)起初，他們先是利用壓電纖維對(duì)Lamb波傳感的良好方向性將3根壓電纖維分別按00、450和900三個(gè)不同角度布置，然后將其固化在聚合物基體中，用制成的壓電纖維傳感器來檢測(cè)Lamb波傳播方向。接著再將直角三角形、Y形和等邊三角形分別在00、450和900，00、1200和2400，00、600和1200這3種壓電纖維布置方案下的主應(yīng)變方向識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終得出研究結(jié)果，即壓電纖維傳感器具有良好的Lamb波傳播方向檢測(cè)性能，可為無需Lamb波波速的缺陷識(shí)別方法提供傳感技術(shù)支持。[3]

1.1.2 國內(nèi)產(chǎn)品發(fā)展研究情況

我國壓電式傳感器研究比美日等發(fā)達(dá)國家晚，但隊(duì)伍龐大，效果也顯著，如我國研究人員研制的三元系P M S 壓電陶瓷，在性能和工藝方面都優(yōu)于國外的同類材料。不僅如此，我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓電式振動(dòng)傳感器已達(dá)到國外先進(jìn)水平。此外，我國的壓電陀螺和壓電線加速度表的研制開始于1970年，迄今壓電陀螺在技術(shù)上優(yōu)于美國，此項(xiàng)發(fā)明還獲得過獲國家發(fā)明獎(jiǎng)。事實(shí)上，政府的法規(guī)將要求壓電傳感器用于多種應(yīng)用，包括TPMS、柴油和汽油顆粒過濾器（DPF，GPF）和燃料箱蒸發(fā)（EVAP）。

目前，國內(nèi)傳感器市場(chǎng)仍然以外資為主，占比到達(dá)67%，國內(nèi)主流傳感器廠商有深圳賽納威環(huán)境科技有限公司、航天年代電子技能股份有限公司、上海威爾泰工業(yè)自動(dòng)化股份有限公司、杭州士蘭微電子股份有限公司、深圳市信立科技有限公司等。

1.2 國外壓電傳感器發(fā)展研究情況

自上世紀(jì)90年代中期以來，國外相繼進(jìn)入了即插即用智能TEDS混合模式接口傳感器的研究。1983年，美國霍尼韋爾公司研制出第一個(gè)智能傳感器——用于過程控制的智能壓力傳感器。在那之后，大量公司陸陸續(xù)續(xù)開發(fā)了自己的智能傳感器產(chǎn)品。這些智能傳感器大多具有響應(yīng)速度快、非接觸式測(cè)量、精度高、分辨率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。此后，傳感器在軍事和工業(yè)檢測(cè)與控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，傳感器的智能化得到了廣泛的關(guān)注和快速的發(fā)展。

現(xiàn)如今，國外傳感器研發(fā)公司主要有美國的PCB、Honeywell、IST、CAS、CBT、ITC，德國的Proxitron、Knick、OPTEK、Ahlborn、polytec、FCG，瑞士的MEMBRAPOR、Kistler，另外還有英國的Senstronics、日本Micron、丹麥B&K，加拿大NOVA及芬蘭Vit等等。

1.2.1 國外技術(shù)發(fā)展情況

在美國NI公司的倡導(dǎo)下，目前共有16家全球領(lǐng)先的傳感器生產(chǎn)商作為即插即用智能傳感器計(jì)劃項(xiàng)目的合作伙伴，這些成員已經(jīng)開始向市場(chǎng)供應(yīng)或研制符合IEEEl451.4傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS）的傳感器，這種傳感器被稱為TEDS傳感器、即插即用傳感器或智能傳感器。

國外的壓電傳感器傳感器技術(shù)（ST）部門已經(jīng)開發(fā)和生產(chǎn)了用于極端環(huán)境下測(cè)量任務(wù)的高度專業(yè)化的傳感器和系統(tǒng)。無論是在高溫下測(cè)量熱聲現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)高壓測(cè)量，或執(zhí)行具有挑戰(zhàn)性的測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用，使用我們廣泛的壓力、力傳感器和加速度器。

1.2.2 國外產(chǎn)品情況

世界上大部分國家主要發(fā)展半導(dǎo)體濕度傳感器，日本主要發(fā)展陶瓷濕度傳感器。近年來，國外從事壓電陀螺的廠家從原來的少到現(xiàn)在的多，一方面在世界各地推銷商品，另一方面密切關(guān)注聲表面波壓電慣性傳感器陀螺的發(fā)展。例如，盲眼，這種高檔的壓電聲傳感器，已經(jīng)商業(yè)化。

過去各國幾乎都是主要發(fā)展半導(dǎo)體力敏傳感器，目前壓電力敏傳感器不斷增加，并且國外生產(chǎn)的壓電氣（ 濕 ）敏傳感器具有其它同類傳感器難與相比的分辨率。

如今國外傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，并廣泛運(yùn)用于試驗(yàn)與測(cè)量、航空測(cè)試、用KiDAQ采集數(shù)據(jù)、航天測(cè)試、動(dòng)態(tài)稱重、測(cè)速執(zhí)法、生物力學(xué)和測(cè)力臺(tái)、切削力測(cè)量、熱聲學(xué)、高速動(dòng)力學(xué)、軌道技術(shù)。

2 目前存在的問題及擬解決的方案

2.1 目前存在的問題

壓電傳感器已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的設(shè)備，但壓電傳感器的發(fā)展還有很大的進(jìn)步空間。從研究結(jié)果來看，壓電傳感器的應(yīng)用仍處于理論研究階段，且壓電元件缺乏非線性特性，壓電材料壓電特性低。

2.1.1 理論結(jié)合實(shí)際

目前的研究大多還停留在理論研究階段，真正用于實(shí)際的產(chǎn)品還很少，工程實(shí)用化方面研究相當(dāng)薄弱。具體表現(xiàn)在理論及仿真研究較多，但是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相對(duì)較少，研究對(duì)象以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)較多，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究還相當(dāng)欠缺。

針對(duì)這一問題的解決方案就是加大實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將理論研究與實(shí)際情況相結(jié)合，反復(fù)運(yùn)用改進(jìn)，研制出在生活中有實(shí)際作用的產(chǎn)品，再進(jìn)一步對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)深入研究，提高研究層次。

2.1.2 壓電元件的非線性特性

由于壓電材料的極化特性，壓電系統(tǒng)只能在一定范圍內(nèi)滿足近似的線性要求，并且容易受到各種外部環(huán)境的影響。因?yàn)榉蔷€性特性的存在使得壓電元件的重復(fù)性差、檢測(cè)精度低、瞬態(tài)位置響應(yīng)速度慢以及可控性差，這些原因的存在阻礙了壓電元件進(jìn)一步應(yīng)用于工程項(xiàng)目。主要的解決方法是建立能夠反映外圈特征和內(nèi)圈形成情況的外圈模型和Preisach模型及其變形，并與一定的控制算法相結(jié)合。其中電荷控制和電壓控制是壓電元件線性化控制的兩種主要方法。[4]

2.1.3 壓電材料

壓力傳感器要進(jìn)一步發(fā)展，壓電材料的壓電特性必須進(jìn)一步提高，這就使得壓電材料的應(yīng)用受到更大的限制，主要的解決方案就是投入對(duì)壓電晶體、高分子壓電材料等研發(fā)的力度。

近幾年，高分子壓電材料因?yàn)槠洳牧腺|(zhì)地柔軟，價(jià)格便宜，不易破碎，具有防水性，所以成為發(fā)展較為迅速的新型壓電材料，而且它的測(cè)量范圍可達(dá)80dB，頻響范圍從0.1Hz～109HZ，是一種較為理想的電聲材料。但由于它的工作溢度適用范圍在100C°以下，機(jī)械強(qiáng)度較低，且不耐紫外線照射，所以它的性能還需要進(jìn)一步開發(fā)。

除此之外，聚合物基壓電復(fù)合材料因?yàn)榫哂辛己玫娜犴樞浴⑵骷Y(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)壓電材料的短板，從而拓展了適用范圍，使其成為綜合性能優(yōu)異的新型壓電復(fù)合材料，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。目前，聚合物基壓電復(fù)合材料已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了重要的應(yīng)用，隨著它的性能不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)展，使其必將成為壓電聚合物和壓電陶瓷理想的替代材料。[5]

3 未來發(fā)展趨勢(shì)

通過對(duì)壓電傳感器發(fā)展趨勢(shì)的詳細(xì)分析，可知在當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正朝著小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在未來，隨著CAD技術(shù)、MEMS技術(shù)、信息論和數(shù)據(jù)分析算法的不斷發(fā)展，預(yù)測(cè)將來的傳感器將變得更加標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、集成化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。

4 結(jié)論

本文介紹了國內(nèi)外壓電傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題及解決方案，并預(yù)測(cè)了今后的發(fā)展方向。壓電傳感器本質(zhì)上是一門邊緣科學(xué)，需要投入大量時(shí)間、不菲的金錢和科學(xué)家堅(jiān)持不懈的努力。所謂得技術(shù)者得天下，傳感器是工業(yè)快速發(fā)展的有力推手，中國壓電傳感器的研發(fā)與應(yīng)用還有很長一段路要走，未來可期。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙晨，任育苗，陸文總，等.壓電磁性表面分子印跡傳感器對(duì)氯霉素的檢測(cè)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（15）：149-153.

[2] 鐘海彬.陣列式壓電體積位移傳感器的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D].江西：南昌航空大學(xué)，2015.

[3] 王送來，吳萬榮，沈意平，等.基于壓電纖維傳感器的Lamb波傳播方向識(shí)別[J].振動(dòng)＼測(cè)試與診斷，2020，40（04）：656-662.

[4] 賈宏光，吳一輝，王立鼎.壓電元件非線性特性研究的進(jìn)展[J].壓電與聲光，2001（02）：116-119.

[5] 劉欣然.聚合物基壓電復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].河北民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，37（01）：123-128.

（1.西華大學(xué)，四川 成都;2.四川輕化工大學(xué)，四川 宜賓）