摘 　要： 介紹了壓電傳感器的分類和測量原理，綜述了國內外壓電傳感技術在航空航天、土木、機械、交通、醫學等領域健康監測方面的主要應用實例。介紹了基于壓電傳感測試技術的橋梁振動監測研究，最后討論了壓電傳感器在進一步實用化過程中面臨的困難和需要解決的問題，并對其應用前景做了展望。
　　關鍵詞： 壓電傳感技術； 監測； 應用

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　　自1880年兩位法國科學家J. Curie 和P. Curie 在研究石英晶體時發現材料的壓電現象以后，在材料學界便引發了一場壓電材料研究熱。經過一百多年的發展，壓電材料的種類已經由最初的壓電晶體發展到壓電陶瓷、進而發展到壓電聚合物及其復合材料。隨著物理學、材料科學與各個學科的交叉發展，壓電材料被用以研制成了多種用途的傳感器，與其他傳感器相比，壓電傳感器具有獨特的優點：工作頻率范圍寬（可從幾十赫茲到幾百兆赫）、動態范圍大、頻響時間快、靈敏度高、溫度穩定性好(-20℃～+150℃)、質量輕、結構簡單，既可以粘貼在結構表面還可以通過一定的工藝措施耦合到結構之中。正是由于這么多的優點，近年來，壓電傳感器在航空航天、土木、機械、交通等領域的健康監測，以及能源化工、醫學等領域得到了廣泛的應用。
1 壓電傳感器的分類及特點
1.1 壓電換能型傳感器
　　這是機電變換的自發電型有源傳感器，工作基礎是正壓電效應。壓電敏感元件在外界機械應力（變）的作用下，表面產生束縛電荷，根據產生的電荷量或電壓值來確定機械量的大小。此類傳感器靈敏度高、頻帶寬、信噪比大、動態性能好、體積小、工作可靠。但因產生的電量小，電荷存在一定的泄漏，不太適合于靜態測量，而適于動態力的測量。該類傳感器主要用于(壓)力^[1]、加速度^[2]、應變^[3]等的測量。
1.2? 壓電諧振型傳感器
　　這類傳感器的工作基礎是壓電材料的逆壓電效應，壓電體在交變電場激勵下產生機械振動而形成一個壓電振子。壓電振子最重要的特性參數是諧振頻率和復值阻抗。當作用于壓電振子的外界參量(如力、溫度、壓電振子所處介質的特性等)改變時，上述特性參數也將發生改變。根據輸出信號的形式分為頻率型、幅值型和相位型三種。若按傳感器測量轉換過程中的基本效應機理，可分為以下幾類。
1.2.1 應變敏感型壓電諧振傳感器
　　被測量直接或間接地引起壓電元件的機械形變，通過壓電諧振器的諧振頻率與應變的函數關系來檢測外界參數。主要用于檢測力、壓力、加速度(包括線加速度和振動加速度)等。若利用諧振頻率與壓電振子熱應力的關系，還可做成紅外輻射檢測器。
1.2.2 熱敏型壓電諧振傳感器
　　當壓電振子的溫度被外界參數直接或間接改變時，其諧振頻率也將改變。這類傳感器包括兩類：一類是溫度頻率測量傳感器，即壓電諧振式溫度計；另一類是熱量測量傳感器，由熱敏諧振器和輔助電加熱器組合而成。熱量測量傳感器的工作方式分兩種：一種是被測參數轉換成輔助加熱器耗散功率的變化，典型應用是熱電功率計，也可做成電壓、電流等電學量的測量傳感器；第二種是被測參數轉換成輔助加熱器和諧振器之間介質的散熱系數的改變，由此可做成真空計、氣體分析儀、流速傳感器等。
1.2.3? 質量敏感型壓電諧振傳感器
　　壓電元件的質量是壓電振子諧振頻率的決定性因素之一，將被測量轉換為壓電元件的質量變化，就制成了質量敏感型壓電諧振傳感器。可分為選擇型變換器和非選擇型變換器兩類。前者可用于檢測濕度或氣體成分，還可做成智能機器人中的嗅覺、味覺傳感器。后者則可用于檢測鍍膜厚度等。
　　此類傳感器具有靈敏度高、通用性強、測量結果與重力值及空間位置無關、尺寸小、成本低、耐沖擊和抗化學及放射性輻射的能力強、能用于真空中的測量等眾多優點，因此得到了廣泛的應用。
1.2.4? 聲敏型壓電諧振傳感器
　　該傳感器也稱為阻抗敏感型傳感器，它利用被測參數去調制壓電諧振器的超聲輻射條件，即改變諧振器周圍介質的聲復阻抗，從諧振器頻率、品質因素等參數的改變來反映被測參數。給諧振器施加聲負載的介質可以是氣體、液體和固體。介質的密度、分子量、壓力、粘度以及諧振器與介質之間的接觸面積都將影響諧振器的超聲輻射條件，因此可以做成密度、力(壓力)、粘度、濕度、小位移、露點溫度等傳感器。
1.2.5 回轉敏感型壓電諧振傳感器
　　當壓電振子以諧振頻率振動同時又旋轉（角速度矢量與質點振動位移矢量垂直）時，振子中就會出現符號交替變化的與角速度矢量和質點振動位移矢量都垂直的科里奧利(corioli)力，該力通過壓電效應轉換為交變電壓，而交變電壓的幅值和相位就反映了旋轉角速度的大小和方向。該類傳感器目前主要應用是制作壓電振動陀螺儀，用于檢測飛行器的角加速度、角速度、角位移等姿態信息，是空間技術中很重要的慣性制導器件。
1.3? 壓電聲表面波（SAW）傳感器
　　壓電SAW的能量集中在壓電基片表面，很容易在傳播路徑上提取和存入外界信息（如溫度、壓力、電磁場等）并對SAW的傳播特性（包括波長、波速、波傳播長度）造成影響，SAW傳感器就是利用這些影響和外界信息的函數關系來測量各種化學、物理的被測參數。
　　SAW傳感器的核心是SAW 敏感器件，按工作模式分為延遲線型和諧振器型兩類。對于前者，外界參數調制壓電基片的傳播特性，從而改變SAW發射與接收之間的延遲時間。而后者是換能器和反射柵共同組成的一個諧振腔，當壓電基片上的SAW受到外界參數調制時，其諧振頻率將發生改變。
　　壓電SAW 傳感器具有許多獨特優點：⑴高精度、高靈敏度、高分辨率；⑵頻率輸出，易于與微處理器接口；⑶采用半導體平面工藝制作，極易集成化、一體化，實現單片多功能化、智能化比較方便，結構牢固，質量穩定，也便于大規模生產；⑷ 體積小、重量輕、功耗低；⑸因其利用的是壓電基片表面的彈性波而不涉及電子遷移過程，故該類傳感器抗輻射能力強，動態范圍大；⑹無線無源型SAW傳感器能對旋轉、移動部件以及高溫、強輻射、混凝土下等特殊環境進行檢測。
1.4 壓電超聲波傳感器
　　壓電超聲波傳感器利用逆壓電效應來激發超聲波，并用正壓電效應將帶有被測量信息的超聲回波轉換為電信號，根據超聲波特性進行各種檢測。與壓電SAW傳感器相比，壓電SAW波傳感器的表面波的傳播只局限于壓電基片表面，并且其敏感機理是被測量作用于壓電基片而影響SAW的傳播；而壓電超聲波傳感器中的超聲波則要進入被測介質，被測量不與壓電材料作用而直接與超聲波作用，故將二者分為兩類。檢測原理又可分為脈沖反射法、穿透法和共振法三種。目前壓電超聲傳感器廣泛用于厚度、物位、密度、粘度、溫度、流速、彈性模量、液體中懸浮顆粒大小和多少等參數的測量以及無損探傷、醫療診斷等。
2 壓電傳感技術的應用研究現狀
2.1 壓電智能結構
　　自上世紀80年代美國政府首先提出開展智能結構的研究之后，世界其他發達國家和地區，如日本、英國、德國、韓國、中國臺灣、中國香港等，都相繼開展這方面的研究。在智能結構中，研究較多的傳感器材料是壓電材料。利用壓電材料的正、逆壓電效應，可分別集成壓電傳感器及壓電致動器, 使結構的自感知和自控制成為可能。各國學者在對壓電智能結構進行基礎性研究的同時，也對其應用進行了廣泛的探索。主要集中在以下幾個方面。
2.1.1 減振降躁
　　壓電智能結構在振動控制中的應用研究開展得最早，研究成果也較豐富，主要集中于大型航天柔性結構的振動控制^[4]。研究對象以梁、板等具有規則形狀的元件為主，控制系統的設計通常有三種方法, 即主動控制、被動控制及主被動混合控制。被動控制系統結構簡單、容易實現、成本低，但缺少控制上的靈活性，對突發性環境變化應變能力差；與被動控制相比，主動控制以現代控制理論為主要工具，具有較大的靈活性，對環境的適應能力強，是當前振動工程中的一個研究熱點；被動控制與主動控制相結合形成混合控制策略是當前振動工程的一個新興方向。
　　壓電智能結構的另一個重要應用方向是噪聲主動控制^[5]。主要用于潛艇、飛行器以及車輛等三維封閉空間內部噪聲的控制。與壁板振動主動控制不同之處在于，振動控制是控制板的模態，而噪聲控制則主要是控制產生聲強的部分。
2.1.2? 結構靜變形控制
　　通過控制壓電智能結構的變形可以調整結構的幾何形狀，維護結構準確的外形和位置， 這在空間站及其他空間飛行器及柔性機械的控制中具有重要的應用價值。如在空間飛行器中，可通過控制精確結構的變形，以保證空間天線反射器、望遠鏡等精密儀器正常工作；在機器人中，通過壓電元件控制柔性機械臂運動，可提高機械手的運動精度^[6]。
2.1.3 結構損傷監測
　　應用壓電傳感元件進行結構損傷監測主要有兩種方式，其一是用壓電傳感器來精確感知結構力學性質的變化，并通過進一步地計算和分析，對結構的損傷進行預測^[7]；另一種則是通過分析結構中傳播的振動波來進行損傷預測^[8]。這兩種方式可以為結構的安全評定與損傷定位提供可靠信息，從而為土木工程結構長期、實時健康檢測提供了新的方法。
2.2? 加工工藝監測
　　壓電式力、應力、振動及聲發射傳感器因其具有獨特的優點，成為現代化自動控制制造業中狀態監測的理想選擇[9]。(1)對于磨削、鉆孔和攻絲，采用最新的遙測技術設計成功一種新穎的石英多分量力及力矩的傳感器，這種新型的旋轉切削測力計可以直接安裝在軸和刀具之間，直接測量旋轉刀具的切削力，對分析計劃生產過程和確定用于實際生產中選擇最佳切削參數都具有重要的意義；(2)在金屬加工過程中會產生聲發射現象，其中含有豐富的信息，其最重要的價值是對零件所產生的缺陷及初始故障能給出可靠的指示。一種創新的雙用傳感器將聲發射傳感器與三分量測力傳感器合二為一，將這種雙用傳感器安裝在車床夾具的適當位置，就可以連續監測切削力、進刀力和被動力的大小以及相關的聲發射信號。
2.3 太空空間探測
　　PVDF壓電薄膜因為其堅固耐用、不需要偏置電壓、容易制造大面積傳感器、高計數率和固有的高可靠性等一系列優點，能夠勝任太空的惡劣環境，所以它在空間微小碎片和宇宙塵的探測方面得到了廣泛應用。主要是PVDF壓電傳感器和PVDF共聚物傳感器。芝加哥大學研制的DUCMA(Dust Counter and Mass Analyzer)是這種探測器的第一次空間應用^[10]，它在1986年搭載在VEGA-1和VEGA-2兩顆衛星上探測哈雷彗星。探測目標是彗尾的微質量物質組成，為人類了解彗星結構和彗尾組成起到了很好的促進作用；上世紀90年代，安裝在美國ARGOS(Advanced Research and Global Observation Satellite)衛星上的SPADUS(space dust)儀器^[11]，可用來探測近地空間的空間碎片質量/速度/軌跡。比較著名的還有HRD探測器^[12]，它曾搭載在卡西尼宇宙飛船上于1997年發射太空進行土星探測，了解太陽系內的宇宙塵分布進而對太陽系的形成進行探索。我國的中科院空間中心和哈工大等單位也正在開發具有自主知識產權的空間碎片探測器，相信在不久的將來就會有我國自行研制的PVDF壓電探測器工作在太空中。
2.4 車輛行駛稱重
　　壓電傳感技術與網絡技術和視頻技術相結合可以實現對車軸數、車速、軸距、行駛中車輛載重量的信息進行收集并加以分析，從而在智能交通系統中發揮重大作用^[13]。如美國MSI公司研究開發的共聚物壓電軸傳感器，可獲取精確的速度信號、觸發信號和分類信息及長期反饋交通信息統計數據。巴西、德國、日本和韓國在壓電檢測的車輛行駛中稱重功能方面也有大量的應用。
2.5? 壓電傳感電纜
　　人們最近開發出一種壓電層較厚的同軸電纜形式的PVF2壓電材料——PVF2壓電電纜^[14]。這種壓電電纜用連續工藝生產，長度可達幾千米，直徑為1.5mm。它能把聲音、振動、沖擊、壓力、應力和應變轉換為電信號，使用方法非常靈活，它克服了壓電薄膜及壓電陶瓷的缺點和使用的局限性，展現出很大的應用前景。它的主要應用領域是：水聲學、沖擊傳感、振動傳感、入侵報警和安全防衛、交通流量統計、應變應力測量、工業控制與檢測等。
2.6 航空和航海
　　由Sigma 研究公司研制而成的“便攜式自動遠程檢查系統”，簡稱PARIS^[15]，專門為對大面積層狀結構或復合結構進行原位檢查而設計。其關鍵元件是一個200mm×200mm的可變形PVDF壓電薄膜，其中含有1024 個換能器。這種膜的柔韌性很好，能夠與曲率半徑為4的彎曲表面完全貼合。與它相連的裝置還有一個手提控制器、數據采樣器和顯示裝置等。這種接收器的總信噪比達100dB，中心頻率為2.5MHz。飛機上的石墨—環氧樹脂復合物或艦艇上的大型結構都可以用它來進行很方便的測試。而對于鋁和鋼的測試，這方面早已獲得了令人滿意的結果。
2.7 防污
　　目前美國國家研究所和法國蒙特利奇大學對壓電薄膜防污進行了研究^[16]。壓電薄膜已被證實對測量殼體聚合物的振動比較有效，因此可以用它來防止絕大部分會導致船艇污染的海洋生物的靠近。另外，荷蘭的Delft 科學研究所正將已得到的結論推廣到較大的金屬結構上，如商船或艦艇的殼體。同時，相同的原理正在被研究如何用于生產飛機上的防凍表面。
2.8 醫學
　　目前人們正在積極研究PVDF 在醫學上的應用^[17]。 在許多國家，每年都有很多嬰兒死于SIDS或其他綜合癥。為了降低嬰兒的猝死率，在荷蘭、德國、美國至少有三家公司正在生產一種呼吸監控器。這種監控器是將一個裝有PVDF壓電薄膜的墊子放于嬰兒身體下面，對由呼吸、心跳引起的輕微振動進行連續的監控(特別是在晚上)，當呼吸或心跳的時間間隔超過預先設置的時間長度(如20s)時，它便會觸發警報器，這樣就能及時有效地防止嬰兒窒息死亡。
3?工程實踐應用
　　國內外文獻表明，壓電傳感技術目前主要用于柔性結構的高頻振動控制。基于壓電傳感測試的許多優點，筆者正在進行基于壓電傳感的土木工程橋梁低頻振動監測方法研究，采用PVDF壓電薄膜作為傳感元件，通過測量動態應變間接測量橋梁振動的特征參數，從而監測橋梁上的交通狀況。目前已進行了前期的理論驗證和實驗室仿真，針對工程領域中的低頻振動測量，選取激振頻率從0.1Hz變化到40Hz，測試了不同激振頻率下壓電應變傳感器的動態響應。在0.1Hz、0.5Hz、5Hz、10Hz、20Hz和40Hz激振頻率作用下，壓電應變傳感器的輸出電壓與應變之間的曲線如圖1所示。壓電傳感元件在不同激振頻率下電壓靈敏度如表1所示。實驗研究結果表明，壓電傳感器在低頻范圍(0.1Hz~40Hz)內呈現出很好的動態特性，而且被測應變與壓電傳感器的輸出電壓呈線性關系，與理論研究相吻合，適合土木工程中橋梁低頻振動測量的要求，為實際工程應用奠定了理論基礎。

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