基于压电陶瓷的交通传感器的输出特性研究

摘要：设计并制备了以PZT、PLMN压电陶瓷为敏感材料的交通传感器，比较研究了单调荷载、疲劳荷载作用下的输出特性，以及荷载作用时间、环境温度对两种传感器输出的影响。试验结果表明，虽然两种传感器在疲劳荷载后应力一输出电压输出特性和初始时比较基本没有变化，但基于PZT型压电陶瓷的交通传感器在-20～60℃温度范围内输出与荷载有很好的线性关系，且在荷载作用时间小于0.1S时输出受荷载作用时间影响小，因此具有更好的输出特性。

关键词：交通传感器；压电陶瓷；输出

中图分类号：U495；TH82　文献标识码：A　文章编号：1671-4431(2011)02-0063-04

交通事故是影响交通系统效率的重要因素。对于行驶中的车辆，可监测车辆行驶状态、车重、道路交通状况，根据路段的具体情况(路段弯直、坡度、路面材料种类等)和天气条件，通过控制车辆速度及行驶路线降低交通事故发生概率。目前可用于车辆状态监测的手段包括视频传感、卫星遥感、光学阻断式传感、电磁传感、压力传感等，但是视频技术受天气限制，卫星传感不能实现实时监测，微波传感功能单一，电磁传感监测精度差，因此能够满足这一功能的交通传感器是压电式交通传感器。压电式交通传感器是以压电石英晶片、聚合物压电材料或碳纤维混凝土(水泥砂浆)为敏感材料的新型交通传感器，能够实现对车辆运动属性(车速、车辆行驶路径等)和特征属性(车轴数、轴距、车轮数等)和车重的监测Ⅵ。但是压电石英晶片的压电常数d50只有目前高性能压电陶瓷的几十分之一，输出信号小，对于数据采集系统的要求高；聚合物材料的适用温度范围较窄(最高80℃)，成本高；碳纤维混凝土(水泥砂浆)的性能随着时间变化而变化。针对以上问题，制备了以目前常用的高性能PZT和PLMN型压电陶瓷为敏感材料的交通传感器，并研究了压力等级、荷载作用时间、环境温度及疲劳荷载对传感器输出的影响，对传感系统的研究开发和实际应用进行探索。

1　传感器制备及试验

PZI型压电陶瓷采用自制PZT5型压电陶瓷压缩片，直径12mm，厚度2mm，d33=370×10-12～390×10-12C／N，10倍时间老化率1.5％；PLMN型压电陶瓷采用保定市宏声声学电子器材有限公司生产的PLMN型高温压电陶瓷片，直径12mm，厚度2mm，d50=260×10-12～300×10-12C／N，10倍时间老化率2.7％。

传感器器件及传感器结构如图1所示。传感器敏感材料为PZT、PLMN型压电陶瓷，以氧化铝陶瓷作为封装片(同时兼有传力作用)，传感器密封材料为改性环氧树脂。试验在MTS高温陶瓷试验系统上进行。试验中采用电荷放大器进行信号放大，并配套电脑自动数据采集仪，以及相应的数据采集与处理软件进行数据的采集。每种传感器制备两个，一个用于疲劳试验，另一个用于其它试验。

2　结果与讨论

2.1　单调加载下的输出特性

图2是两种传感器20℃时在不同压力下的输出曲线。从图2(a)中可以看出，PZT型传感器的输出信号与压力有着非常好的线性关系，线性回归分析可知回归置信度为0.9911。图2(b)结果表明，PLMN型传感器的输出与压力之间不存在线性关系。在压力小于1.6MPa时，传感器的输出随着应力的增大而增大，而在压力大于1.6MPa以后，传感器的输出随着应力的增大而减小。

2.2　载荷作用时间对输出特性的影响

图3是温度为20℃时，荷载作用时间对于两种传感器输出～荷载比的影响曲线图。图3(a)的结果表明，在相同应力下，荷载作用时间越短，PZT型传感器的输出一荷载比越大。但在加载时间小于0.1s时，输出荷载比保持相对稳定。由于传感器的尺寸非常小，运行中的车辆对传感器的作用时间远小于0.1s。因此，PZT型交通传感器应用于交通监测时基本不用考虑车速对传感器输出的影响。而从图3(b)可以看出，对于PLMN型传感器，加载时间对输出一荷载比的影Ⅱ向规律与PZT型传感器差别很大，相同荷载作用时间下，输出一荷载比并不随荷载增大而增大，且荷载作用时间小于0.1s时，输出荷载比仍有较大的变化。

2.3　环境温度对输出特性的影响

图4(a)是PZT型传感器在不同温度下的输出压力曲线。图4(a)结果表明，在不同温度下，PZT型传感器的输出与压力之间都有着较好的线性关系。回归可得60℃、20℃、0℃、-20℃下输出与压力的线性置信度分别为0.9732、0.9911、0.9903、0.9950。虽然PZT型传感器在不同温度下的输出与荷载都有较好的线性关系，但是不同温度下的线性置信度以及输出的大小相差较大。置信度基本上随着温度的升高而减小。此外，从图4(a)中4条曲线还可看出，相同压力下的传感器输出并不是随着温度的变化单调变化，在60℃、20℃、0℃3个温度下，传感器输出随着温度的升高而增大，但是-20℃时的输出比0℃时高。图4(b)为PLMN型传感器在不同温度下的输出压力曲线。图4(b)中结果表明，PLMN型传感器输出在各种温度下的输出表现出与PZT型传感器相似的规律。PLMN型传感器在各温度下的输出与荷载之间的线性关系相对PZT型传感器差得多。

2.4　疲劳荷载对输出特性的影响

图5(a)、图5(b)分别为PZT型和PLMN型传感器经过疲劳荷载后的输出一压力曲线图。从图5中可以看出，无论是PZT型传感器，还是PLMN型传感器，经过50万次和100万次后的输出与疲劳试验前的差别非常小，如果考虑试验误差，可认为疲劳荷载对传感器的输出没有影响。

3　结论

a.基于PZT和PLMN型压电陶瓷的交通传感器50万次和100万次疲劳荷载后应力一输出电压输出特性和初始时比较基本没有变化，表明在车流量非常密集的情况下智能传感器仍会有精确可靠的输出，长期用于高速公路信息的采集具有很好的稳定性；且两种传感器在加载时间小于0.2s时输出电压的大小基本上保持稳定，用于高速公路信息采集时传感器输出基本不受车速的影响。

b.在-20～60℃范围内，基于PZT压电陶瓷的交通传感器输出与应力之间有很好的线性关系，各温度下的线性回归置信度均大于0.99，而基于PLMN型压电陶瓷的交通传感器输出与应力之间的线性关系随温度升高而变差，因此基于PZT压电陶瓷的智能交通传感器具有更好的输出特性。

c.两种智能交通传感器的输出电压和温度之间都没有线性关系，传感器应用时需标定温度的影响并考虑温度补偿问题。