浅谈压电膜传感器的应用

【摘 要】压电膜是一种柔软、质轻、高韧度塑料薄膜，可以根据需要制成各种形状，厚度的元件。与微电子技术结合，能制成多功能传感元件。压电传感器以其独特的性能在减振降噪、健康监测、形状自适应控制、损伤监测等方面发挥着重要作用。

【关键词】压电；传感器；应用

压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力，其化学稳定性高。压电膜质地柔软、重量轻，与水的声阻抗相近，匹配状态好，应用灵敏度高；压电膜在厚度方向的伸缩振动的谐频率很高，可以得到较宽的平坦响应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；压电膜优点如下：（1）良好的工艺性。可用现有设备进行加工；（2）能制作大面积的敏感元件；（3）频带响应宽（0～500MHz）；（4）声阻抗接近于人体组织和水，所以可用于医疗诊断的敏感装置结构中；（5）具有高冲击强度（可使用于冲击波的传感器中）；（6）耐腐蚀性（在活性介质中使用时这种性能是必需的）；（7）相对介电常数较低；（8）与压电陶瓷相比有更低的导热性；并能制得更薄的薄膜。

在机械工程领域用于。（1）振动测试的压电薄膜传感器。它的主要部分是以薄膜敏感元件（PFS）贴于片状不锈钢悬臂上，并附有匹配、放大电路。这种开关可作为冲击/振动传感器或瞬态开关使用，可输出数字信号，有结构简单、响应平稳、无行程、厚度薄、可靠性高，且不需调整的特点，已经用于面板开关、装配线计数、齿轮计数器和弹子游戏机的碰撞检测计数等方面。（2）加速度计。它以薄膜为敏感元件，在直角相交的3个方向上分别安置了传感元件，可测量X，Y，Z 3个方向的加速度，外形与贴装式集成电路相当，频率响应范围为0.5Hz～5kHz，已经在动态信号测试、系统控制、振动开关、货运监控和计算机外设等方面得到大量的应用。（3）压电电缆。这种压电电缆外表与一般的同轴电缆相似，但它的芯线与屏蔽层之间的绝缘材料由薄膜制成，这样，既是电缆，又是传感器，灵活、结实、防水，且可做得很长。既可埋设于地下或置于水下，也可以安装于栅栏或围墙。

在土木工程领域的应用。采用压电传感器测量结构振动所引起的动态应变，实现结构的振动监测；将先进的传感元器件网络嵌入或以其他方式集成在传统的土木结构中，通过在线实时获取与结构健康状况相关的信息（如应力、应变、温度等），对结构的冲击、损伤、缺陷等状态进行实时监测和控制，实现健康自诊断，以保证工程结构和基础设施的安全可靠及降低维修费用；采用压电传感器和执行器对刚架桥梁的螺钉松动情况进行监测；还可以利用压电传感器测量材料破坏时的声发射信号，从而得知裂纹的位置，以及通过测量冲击激起的弹性波信号实现冲击的定位等。

在交通行车安全监测中的应用。随着全球智能交通技术的发展，压电传感器主要应用于行驶中称重、计轴数、测轴距、车辆分类统计、车速监测、闯红灯拍照、泊车区域监控、收费站地磅、交通信息采集和统计。在客车上安装传感器监测车辆的振动状况。在轨道状态监测中的应用国外采用压电加速度传感器测量转向架轴箱加速度，进行轨道不平顺检测。如果轨道的平顺状态满足要求，高速列车的振动和动作用力都不太大，行车安全和平稳舒适性就能得到保证，轨道和机车车辆部件的使用周期和维修周期也会得到延长。

在医学领域的应用利用压电薄膜的、热电特性以及柔软性，与人体皮肤匹配性好的特点，可制成多种医用传感器。可用于人体探测、热电夜视设备、激光束探测等方面。压电PVDF薄膜的频率响应范围很宽，其低限截止频率约为0.001Hz，因此，用PVDF压电薄膜做成松紧性胸带或腰带，通过匹配不同的电荷放大器可以同时获取呼吸（约0.2Hz）和心跳（约1Hz）信号，并能长期、实时监测。

在环境领域应用。压电传感器能测量温度、质量变化、力的强度以及加速度等。气体检测包括一系列无机气体和有机蒸气，可模拟动物的嗅觉。在溶液中的检测包括无机和有机化合物，和生物反应结合已出现多种质量免疫传感器。

压电膜传感器技术指标：（1）灵敏度。灵敏度是传感器的一项重要指标，是指在一定机械量作用下，传感器输出的电荷电压数。传感器的灵敏度有两种表现方式电荷灵敏度和电压灵敏度。（2）频响范围。频响范围是指传感器接收到的不衰减信号的频率范围。普通的加速度计因其结构、体积、重量、材料的不同，其自身的频率响应各不相同。（3）最大横向灵敏度比。一只性能好的压电PVD式传感器，最大横向灵敏度比不大于主轴灵敏度。（4）其他性能。由于传感器是在各种环境条件下使用的，因此要求其对使用环境条件有较强的适应性。

压电传感器使用技术要素：（1）压电传感器的选用原则压电传感器型号很多，每种型号都对应有特别适用的某些用途，为获得高保真的测试数据，必须根据测试的使用要求，选择最适合的压电传感器。明确被测对象重量，传感器作为被测物的附加质量，要求所选用的传感器其质量。远小于被测物体的动态质量。各参数的综合考虑。（2）通常，传感器灵敏度越高，质量越大，系统的信噪比越高，抗干扰能力和分辨率也越强，但量程和谐振频率却越低，稳定性越差即灵敏度、重量、频率相应和量程等参数是互相制约，互札影响的。具体选用时考虑到与后续测量电路的匹配，被测尽量远离传感器量程范围内最小值。另外，还需估算被测物最大测量极限时所对应的最大输出电压，以保证估算所得电量值不得赶过后续配套仪器的最大输人电荷电压，同时考虑传感器本身非线性影响。具体估算方法为最大输出电压。（3）常见的恶劣环境有三种高温、潮湿、电磁场。处于这些场合下的加速度计如不采取措施，则会给测量带来极大的误差。

【参考文献】

[1]郁有文.传感器原理及工程应用[J].西安电子科技大学，2008，09.