1、1压电式传感器的发展和应用摘要：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。 关键字：压电式传感器，压电效应，发展与应用正文：1.压电式传感器的工作原理1.1 压电效应压电式传感器是利用电解质的压电效应工作的。某些晶体，在一定方向受到外力作用是，内部将产生极化现象，相应的在晶体的
2、两个表面产生符号相反的电荷;当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电效应。1.2 压电材料压电材料分三类压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。1.3 压电式传感器等效电路右图是压电压电式传感器的等效电路。当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。其电容量为 2.压电式传感器的发展2.1 压电式传感器的发展压电传感器技术的发展历程可分为三个阶段。第一个阶段是 6070 年代，传感器以电荷输出为主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号适
3、调装置；到了 8090 年代中期，出现了 IEPE(In Electronics Piezoelectricity)传感器，也被称为低阻抗电压输出传感器，它主要解决了压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题；第三阶段是 90 年代中期至今，即插即用智能 TEDS 混合2模式接口传感器2.2 国内发展现状在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平，自 70 年代以来，压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。改革开放之后，随着引进国外先进技术和管理经验，国民经济进入快阶段，现代测量技术的发展与应用成为必然。因此，压电传感器测术引起了一定程度的重视。但是，由于在压电传感器测量技术的研究
4、与应用上与国外发达国家相比，起步较晚，技术基础薄弱。直到目前压电传感器总体技术水平依然处于上述的第一发展阶段。国内进行智能传感器研究的单位主要有：中科院合肥智能机械研究所传感器技术国家重点实验室(国家 “863”计划资助项目：安徽省自然科金资助项目；中国博士后科学基金资助项目) ；中国科技大学；电子科学自动化系；北京大学计算机科学技术系( 国家“863”计划资助项目) ，华南理工大学机电工程系(广州省重点攻关项目；广州市重点攻关项目) ；东南大学仪器科学与工程系(973 计划项目) 。通过几年的努力，这些单位都在网络化测控系统和智能传感器开发平台的研究中取得了不同程度的成就。3.压电式传感器的
5、应用压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，在诸多行业中得到了广泛的应用，如工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域。3.1 压电传感器广泛应用于智能交通系统随着全球智能交通技术(ITS)的发展，与众多的技术一样，美国 MSI 传感器公司研发与生产的压电传感器在过去数年里取得了长足的发展。它为用户提供的不仅仅是良好的性能，高度的可靠性，简易的安装方法，还有逐步降低的价格。它独一无二的特性使其在日益扩展的应用中成为理想的选择。3.1.1 压电薄膜传感器美国MEAS 公司经过多年研究，开发出了一种压电薄膜交通传感器，该传感器被广泛用于检
6、测车轴数、轴距，车速监控，车型分类，动态称重(WIM)，收费站地磅，闯红灯拍照，停车区域监控，交通信息采集( 道路监控) 及机场滑行道监控。压电薄膜交通传感器的长处是可获取精确的、具体的数据，如精确的速度信号、触发信号和分类信息及长期反馈交通信息统计数据。33.1.2 行驶中称重在美国、巴西、德国、日本和韩国有大量应用，其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统，既判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车辆是否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，然后再由执法机构用精度较高的低速称重系统判断超载量并根据超载量罚款。 3.1.3 闯红灯拍照 压电薄膜交通传感器也可作为闯红灯照
7、相机的触发器。在交叉路口的红灯线前安装两个传感器，传感器与红灯线的最小距离一般为 2 米。两条传感器的间距为 1 米或小于 1 米，可安装在地感线圈的上方， 所有数据由前轮采集，在车辆通过传感器移动 6 (150mm) 以前完成信号采集，信号采集与速度和车辆类型无关，可在交通流量高密度时使用，照相机控制器与红绿灯控制器相连，以便只在红灯时完成动作用两条传感器确定车辆到达停车线前的车速，如果红灯已亮并且车速大于预置值，就会自动拍下第一张照片。第一张照片证明红灯已亮，而且车辆在红灯亮时未超越停车线，并可证明车速及已亮红灯的时间。第二张照片根据车速在第一次拍照后一定的时间内拍出，一般来说为1 至2
8、秒。第二张照片证明事实上车辆越了停车线进入交叉路口并闯了红灯。3.1.3车速检测通常在每条车道上安装两条传感器，这便于分别采集每条车道的数据。使用两个传感器可计算出车辆的速度。当轮胎经过传感器A 时，启动电子时钟，当轮胎经过传感器B 时，时钟停止。两个传感器之间的距离一般是3 米，或比3 米短一些( 可根据需要确定)。传感器之间的距离已知，将两个传感器之间的距离除以两个传感器信号的时间周期，就可得出车速。根据德国PTB 的报告，在汽车以200 公里/ 小时的匀速行驶时，测量精度可达到1%。3.1.4 压电传薄膜交通感器特点：1)无源传感器:可在前置放大器前长距离传送而不需要供电。2)寿命长:超
9、过 4 千万次 ESAL(等效单轴负载) 安装质量好可达一亿次 (ESAL)。3)大信号:200 公斤轮载,在 55 英里速度行驶时,输出最小 250mV 信号。4)动态特性好:可测自行车,摩托车,小汽车及重型货车。5)高信噪比:传感器的扁平结构即宽厚比为 6:1 使非受力方向的躁声最小。包括路面躁声和相邻4车道车辆的躁声最小。6)最小的路面破坏:安装切口仅为 19mmx19mm。并可与路面轮廓一致.7)易搬运:盘卷在 600mmx600mm 的纸盒内,卷曲直径不小于 300mm 就不会损坏。8)一次安装获取多种信号:如轴数,重量,车速,轴距,与电感线圈配合,从而实现行驶中称重(WIM),车辆
10、分类统计,车速监测,闯红灯拍照。9) 不能检测静止在传感器上的车辆3.1.5 智能交通的发展前景目前，间将加长，对道路破损的修复次数将增加，对道路状态的监测将变得越来越重由于我国的高速公路建设尚在起步阶段，有些路段由于超载严重，在设计使用年限结束之前就过早损坏，造成养护费用上升。多数管理部门将主要精力集中在收费( 尤其是不停车收费) 标准的制定和系统的技术问题方面，这在目前是必需的，但是随着车流量的增加，道路负荷的加重，交通事故将增加，道路堵塞时要。如果将网络技术、视频技术及埋在路面下的地感线圈和压电薄膜交通传感器相结合，实现交通信息的短周期采集，将车流量、车轴数、车速、轴距、车辆分类、载重量
11、等信息收集并加以分析，由自动化交通信息调查系统针对路面负荷情况给业主提供维护方案，同时也为公路规划、设计、维护和决策提供可靠、全面的数据，加拿大多伦多401 高速公路交通管理系统就是一个典型的例子。因此，应该考虑将压电薄膜交通传感器这种先进的技术广泛应用于智能交通系统(ITS) 中。3.2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。在 现 代 生 产 生 活 中 被 应 用 于 许 许 多 多 的 方 面 ， 如 提 电 脑 的 硬 盘
12、抗 摔 保 护 ， 目 前 用 的 数 码 相 机 和 摄 像 机 里 ， 也 有 加 速 度 传 感器 ， 用 来 检 测 拍 摄 时 候 的 手 部 的 振 动 ， 并 根 据 这 些 振 动 ， 自动 调 节 相 机 的 聚 焦 。 压 电 加 速 度 传 感 器 还 应 用 于 汽 车 安 全 气囊 、 防 抱 死 系 统 、 牵 引 控 制 系 统 等33 压电式传感器及其在火电厂中的应用火电厂的汽轮发电机组是一个大型的转动机械， 其运行的可靠性， 在很大程度上取决于机组的振动状态。因此，对汽轮发电机组进行振动监控， 对防止重大的设备损坏事故有着重要的意义。压电式传感器是用于测量机组
13、振动的新型传感器， 用压电式传感器取代磁电式传感器是汽轮5发电机组监控系统的一个新趋势。近几年， 国外在汽轮发电机组监控保护系统中开始采用压电式传感器， 如瑞士的VIBROMETER 公司生产的安全监控装置。3.4 压电式谷物质量流量传感器冲量式谷物质量流量传感器具有结构简单、使用方便、无潜在环境污染以及制造成本低等优点，是目前国际上谷物质量流量测量的主流传感器其传感器类型分为压电陶瓷式和应变片式。 压电陶瓷具有受温度影响小、结构简单、动态特性好、工作可靠以及制造成本低等特点，因而具有广泛的应用前景。3.5 液隔电极型压电式传感器蛋白质在固体表面的吸附研究对于医药、生物技术、食品加工、蛋白质芯
14、片等领域具有重要的意义。研究蛋白质吸附的方法很多, 其中压电式传感器作为一种能够实时检测纳克级质量变化的测量技术, 在研究蛋白质吸附动力学方面具有技术优势。利用新型的液隔电极型压电式传感器, 实时监测牛血清白蛋白( BSA) 在石英表面吸附过程, 基本原理是吸附使谐振中的石英晶体的质量负载增加, 并反映为ESPS 振荡频率的下降, 根据频率变化可得出有关吸附量与吸附动力学参数。3.6 压电式脉搏传感器3.6.1 型号输出类型应用领域原理 HK-2000A 脉率（脉冲输出）运动、健身压电式 HK-2000B 波形输出（模拟信号）脉搏波形采集，中医脉象诊断压电式 HK-2000C 波形输出（USB
15、 或 232 接口）脉搏波形采集，中医脉象诊断压电式 HK-2000G 波形输出尤其适合中医脉象诊断压阻式 HK-2000H 波形输出（USB 接口）脉搏波形采集，中医脉象诊断压阻式3.6.2HK-2000A 集成化脉搏传感器 该产品采用高度集成化工艺将力敏元件（PVDF 压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、6信调电路电路集成在传感器内。压电式原理采集信号，模拟信号输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号脉搏波动一次输出一正脉冲。该产品可用于脉率检测，如运动、健身器材设备中的心率测试。4.压电式传感器应用前景当我们正在致力于经典传感器的开发、研制及其推广应用，以力求缩小与发达国家之间的差距之时，
16、信息技术的飞速发展，又在该领域结提出了新的课题、新的任务和新的方向，这就是智能传感器的发展。在美国 NI 公司的倡导下，目前共有 16 家全球领先的传感器生产商作为即插即用智能传感器计划项目的合作伙伴，这些成员已经开始向市场供应或研制符合 IEEEl451.4 传感器电子数据表(TEDS)的传感器，这种传感器被称为 TEDS 传感器、即插即用传感器或智能传感器。许多公司已经取得了令人满意的成果。智能传感器的发展是信息技术、知识经济在这一发展的必然产物和自然趋势。文献：1、 压电式传感器测定蛋白质吸附动力学参数,传感器技术, 2003 年第 22 卷第 4 期2.交通传感器使用指南3.压电式传感器在辐射冲击波测量中的应用 ，传感器技术，2005 年第 24 卷第 6 期4.压电式传感器及其在火电厂中的应用 ，河北电力技术，1999 年第 1 期5.压电式谷物质量流量传感器设计及试验,江苏大学学报，第 32 卷 第 2 期6、压电薄膜传感器技术(国际互联网版本)精量电子(深圳)有限公司 19987、http:/
