摘 要： 介紹了壓電傳感器的分類和測量原理，綜述了國內(nèi)外壓電傳感技術(shù)在航空航天、土木、機(jī)械、交通、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域健康監(jiān)測方面的主要應(yīng)用實例。介紹了基于壓電傳感測試技術(shù)的橋梁振動監(jiān)測研究，最后討論了壓電傳感器在進(jìn)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(yīng)用前景做了展望。
關(guān)鍵詞： 壓電傳感技術(shù)； 監(jiān)測； 應(yīng)用
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自1880年兩位法國科學(xué)家J. Curie 和P. Curie 在研究石英晶體時發(fā)現(xiàn)材料的壓電現(xiàn)象以后，在材料學(xué)界便引發(fā)了一場壓電材料研究熱。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，壓電材料的種類已經(jīng)由最初的壓電晶體發(fā)展到壓電陶瓷、進(jìn)而發(fā)展到壓電聚合物及其復(fù)合材料。隨著物理學(xué)、材料科學(xué)與各個學(xué)科的交叉發(fā)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(yōu)點：工作頻率范圍寬（可從幾十赫茲到幾百兆赫）、動態(tài)范圍大、頻響時間快、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好(-20℃～+150℃)、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，既可以粘貼在結(jié)構(gòu)表面還可以通過一定的工藝措施耦合到結(jié)構(gòu)之中。正是由于這么多的優(yōu)點，近年來，壓電傳感器在航空航天、土木、機(jī)械、交通等領(lǐng)域的健康監(jiān)測，以及能源化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(jī)電變換的自發(fā)電型有源傳感器，工作基礎(chǔ)是正壓電效應(yīng)。壓電敏感元件在外界機(jī)械應(yīng)力（變）的作用下，表面產(chǎn)生束縛電荷，根據(jù)產(chǎn)生的電荷量或電壓值來確定機(jī)械量的大小。此類傳感器靈敏度高、頻帶寬、信噪比大、動態(tài)性能好、體積小、工作可靠。但因產(chǎn)生的電量小，電荷存在一定的泄漏，不太適合于靜態(tài)測量，而適于動態(tài)力的測量。該類傳感器主要用于(壓)力[1]、加速度[2]、應(yīng)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(chǔ)是壓電材料的逆壓電效應(yīng)，壓電體在交變電場激勵下產(chǎn)生機(jī)械振動而形成一個壓電振子。壓電振子最重要的特性參數(shù)是諧振頻率和復(fù)值阻抗。當(dāng)作用于壓電振子的外界參量(如力、溫度、壓電振子所處介質(zhì)的特性等)改變時，上述特性參數(shù)也將發(fā)生改變。根據(jù)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(zhuǎn)換過程中的基本效應(yīng)機(jī)理，可分為以下幾類。
1.2.1 應(yīng)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(jī)械形變，通過壓電諧振器的諧振頻率與應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系來檢測外界參數(shù)。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(yīng)力的關(guān)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(dāng)壓電振子的溫度被外界參數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換成輔助加熱器耗散功率的變化，典型應(yīng)用是熱電功率計，也可做成電壓、電流等電學(xué)量的測量傳感器；第二種是被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成輔助加熱器和諧振器之間介質(zhì)的散熱系數(shù)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(zhì)量敏感型壓電諧振傳感器
壓電元件的質(zhì)量是壓電振子諧振頻率的決定性因素之一，將被測量轉(zhuǎn)換為壓電元件的質(zhì)量變化，就制成了質(zhì)量敏感型壓電諧振傳感器?？煞譃檫x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(jī)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(qiáng)、測量結(jié)果與重力值及空間位置無關(guān)、尺寸小、成本低、耐沖擊和抗化學(xué)及放射性輻射的能力強(qiáng)、能用于真空中的測量等眾多優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)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(shù)去調(diào)制壓電諧振器的超聲輻射條件，即改變諧振器周圍介質(zhì)的聲復(fù)阻抗，從諧振器頻率、品質(zhì)因素等參數(shù)的改變來反映被測參數(shù)。給諧振器施加聲負(fù)載的介質(zhì)可以是氣體、液體和固體。介質(zhì)的密度、分子量、壓力、粘度以及諧振器與介質(zhì)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(zhuǎn)敏感型壓電諧振傳感器
當(dāng)壓電振子以諧振頻率振動同時又旋轉(zhuǎn)（角速度矢量與質(zhì)點振動位移矢量垂直）時，振子中就會出現(xiàn)符號交替變化的與角速度矢量和質(zhì)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(yīng)轉(zhuǎn)換為交變電壓，而交變電壓的幅值和相位就反映了旋轉(zhuǎn)角速度的大小和方向。該類傳感器目前主要應(yīng)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(tài)信息，是空間技術(shù)中很重要的慣性制導(dǎo)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(shù)關(guān)系來測量各種化學(xué)、物理的被測參數(shù)。
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(shù)調(diào)制壓電基片的傳播特性，從而改變SAW發(fā)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(dāng)壓電基片上的SAW受到外界參數(shù)調(diào)制時，其諧振頻率將發(fā)生改變。
壓電SAW 傳感器具有許多獨特優(yōu)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(dǎo)體平面工藝制作，極易集成化、一體化，實現(xiàn)單片多功能化、智能化比較方便，結(jié)構(gòu)牢固，質(zhì)量穩(wěn)定，也便于大規(guī)模生產(chǎn)；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(qiáng)，動態(tài)范圍大；⑹無線無源型SAW傳感器能對旋轉(zhuǎn)、移動部件以及高溫、強(qiáng)輻射、混凝土下等特殊環(huán)境進(jìn)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(yīng)來激發(fā)超聲波，并用正壓電效應(yīng)將帶有被測量信息的超聲回波轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)超聲波特性進(jìn)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(jī)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(jìn)入被測介質(zhì)，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(shù)的測量以及無損探傷、醫(yī)療診斷等。
2 壓電傳感技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀
2.1 壓電智能結(jié)構(gòu)
自上世紀(jì)80年代美國政府首先提出開展智能結(jié)構(gòu)的研究之后，世界其他發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，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(jié)構(gòu)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(yīng)，可分別集成壓電傳感器及壓電致動器, 使結(jié)構(gòu)的自感知和自控制成為可能。各國學(xué)者在對壓電智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究的同時，也對其應(yīng)用進(jìn)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(jié)構(gòu)在振動控制中的應(yīng)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(jié)構(gòu)的振動控制[4]。研究對象以梁、板等具有規(guī)則形狀的元件為主，控制系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低，但缺少控制上的靈活性，對突發(fā)性環(huán)境變化應(yīng)變能力差；與被動控制相比，主動控制以現(xiàn)代控制理論為主要工具，具有較大的靈活性，對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，是當(dāng)前振動工程中的一個研究熱點；被動控制與主動控制相結(jié)合形成混合控制策略是當(dāng)前振動工程的一個新興方向。
壓電智能結(jié)構(gòu)的另一個重要應(yīng)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(nèi)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(tài)，而噪聲控制則主要是控制產(chǎn)生聲強(qiáng)的部分。
2.1.2? 結(jié)構(gòu)靜變形控制
通過控制壓電智能結(jié)構(gòu)的變形可以調(diào)整結(jié)構(gòu)的幾何形狀，維護(hù)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的外形和位置， 這在空間站及其他空間飛行器及柔性機(jī)械的控制中具有重要的應(yīng)用價值。如在空間飛行器中，可通過控制精確結(jié)構(gòu)的變形，以保證空間天線反射器、望遠(yuǎn)鏡等精密儀器正常工作；在機(jī)器人中，通過壓電元件控制柔性機(jī)械臂運動，可提高機(jī)械手的運動精度[6]。
2.1.3 結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測
應(yīng)用壓電傳感元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測主要有兩種方式，其一是用壓電傳感器來精確感知結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的變化，并通過進(jìn)一步地計算和分析，對結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行預(yù)測[7]；另一種則是通過分析結(jié)構(gòu)中傳播的振動波來進(jìn)行損傷預(yù)測[8]。這兩種方式可以為結(jié)構(gòu)的安全評定與損傷定位提供可靠信息，從而為土木工程結(jié)構(gòu)長期、實時健康檢測提供了新的方法。
2.2? 加工工藝監(jiān)測
壓電式力、應(yīng)力、振動及聲發(fā)射傳感器因其具有獨特的優(yōu)點，成為現(xiàn)代化自動控制制造業(yè)中狀態(tài)監(jiān)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(shù)設(shè)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(zhuǎn)切削測力計可以直接安裝在軸和刀具之間，直接測量旋轉(zhuǎn)刀具的切削力，對分析計劃生產(chǎn)過程和確定用于實際生產(chǎn)中選擇最佳切削參數(shù)都具有重要的意義；(2)在金屬加工過程中會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，其中含有豐富的信息，其最重要的價值是對零件所產(chǎn)生的缺陷及初始故障能給出可靠的指示。一種創(chuàng)新的雙用傳感器將聲發(fā)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(dāng)位置，就可以連續(xù)監(jiān)測切削力、進(jìn)刀力和被動力的大小以及相關(guān)的聲發(fā)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(shù)率和固有的高可靠性等一系列優(yōu)點，能夠勝任太空的惡劣環(huán)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(yīng)用。主要是PVDF壓電傳感器和PVDF共聚物傳感器。芝加哥大學(xué)研制的DUCMA(Dust Counter and Mass Analyzer)是這種探測器的第一次空間應(yīng)用[10]，它在1986年搭載在VEGA-1和VEGA-2兩顆衛(wèi)星上探測哈雷彗星。探測目標(biāo)是彗尾的微質(zhì)量物質(zhì)組成，為人類了解彗星結(jié)構(gòu)和彗尾組成起到了很好的促進(jìn)作用；上世紀(jì)90年代，安裝在美國ARGOS(Advanced Research and Global Observation Satellite)衛(wèi)星上的SPADUS(space dust)儀器[11]，可用來探測近地空間的空間碎片質(zhì)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(fā)射太空進(jìn)行土星探測，了解太陽系內(nèi)的宇宙塵分布進(jìn)而對太陽系的形成進(jìn)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(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻技術(shù)相結(jié)合可以實現(xiàn)對車軸數(shù)、車速、軸距、行駛中車輛載重量的信息進(jìn)行收集并加以分析，從而在智能交通系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用[13]。如美國MSI公司研究開發(fā)的共聚物壓電軸傳感器，可獲取精確的速度信號、觸發(fā)信號和分類信息及長期反饋交通信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)。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(yīng)用。
2.5? 壓電傳感電纜
人們最近開發(fā)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(xù)工藝生產(chǎn)，長度可達(dá)幾千米，直徑為1.5mm。它能把聲音、振動、沖擊、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變轉(zhuǎn)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(xiàn)出很大的應(yīng)用前景。它的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：水聲學(xué)、沖擊傳感、振動傳感、入侵報警和安全防衛(wèi)、交通流量統(tǒng)計、應(yīng)變應(yīng)力測量、工業(yè)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(yuǎn)程檢查系統(tǒng)”，簡稱PARIS[15]，專門為對大面積層狀結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位檢查而設(shè)計。其關(guān)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(shù)據(jù)采樣器和顯示裝置等。這種接收器的總信噪比達(dá)100dB，中心頻率為2.5MHz。飛機(jī)上的石墨—環(huán)氧樹脂復(fù)合物或艦艇上的大型結(jié)構(gòu)都可以用它來進(jìn)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(jié)果。
2.7 防污
目前美國國家研究所和法國蒙特利奇大學(xué)對壓電薄膜防污進(jìn)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(dǎo)致船艇污染的海洋生物的靠近。另外，荷蘭的Delft 科學(xué)研究所正將已得到的結(jié)論推廣到較大的金屬結(jié)構(gòu)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(chǎn)飛機(jī)上的防凍表面。
2.8 醫(yī)學(xué)
目前人們正在積極研究PVDF 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)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(chǎn)一種呼吸監(jiān)控器。這種監(jiān)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(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控(特別是在晚上)，當(dāng)呼吸或心跳的時間間隔超過預(yù)先設(shè)置的時間長度(如20s)時，它便會觸發(fā)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(yīng)用
國內(nèi)外文獻(xiàn)表明，壓電傳感技術(shù)目前主要用于柔性結(jié)構(gòu)的高頻振動控制。基于壓電傳感測試的許多優(yōu)點，筆者正在進(jìn)行基于壓電傳感的土木工程橋梁低頻振動監(jiān)測方法研究，采用PVDF壓電薄膜作為傳感元件，通過測量動態(tài)應(yīng)變間接測量橋梁振動的特征參數(shù)，從而監(jiān)測橋梁上的交通狀況。目前已進(jìn)行了前期的理論驗證和實驗室仿真，針對工程領(lǐng)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(yīng)變傳感器的動態(tài)響應(yīng)。在0.1Hz、0.5Hz、5Hz、10Hz、20Hz和40Hz激振頻率作用下，壓電應(yīng)變傳感器的輸出電壓與應(yīng)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(jié)果表明，壓電傳感器在低頻范圍(0.1Hz~40Hz)內(nèi)呈現(xiàn)出很好的動態(tài)特性，而且被測應(yīng)變與壓電傳感器的輸出電壓呈線性關(guān)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(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
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4 總結(jié)與展望
不可否認(rèn)，壓電傳感器在擁有眾多優(yōu)點的同時，也存在著許多缺點，展望今后的研究重點，可能會有以下幾個方面。
(1)從研究的成果來看，理論研究離工程實用還有一定的差距，工程實用化方面研究也相當(dāng)薄弱，具體表現(xiàn)在理論及仿真研究較多，而實驗驗證相對較少，研究對象以簡單的梁板結(jié)構(gòu)較多，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究還相當(dāng)欠缺。
(2) 壓電元件非線性特性的研究。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，并容易受外界多種環(huán)境的影響。非線性特性的存在使壓電元件重復(fù)性差、檢測精度低，瞬態(tài)位置響應(yīng)速度慢，可控性變差，成為壓電元件進(jìn)一步工程應(yīng)用的主要障礙之一。為減小這種非線性特性所造成的不良影響，更好地發(fā)揮壓電元件的性能，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)從壓電元件非線性特性形成機(jī)理、外環(huán)及內(nèi)環(huán)非線性特性及控制方法等方面開展了相關(guān)研究。
(3)壓電材料的壓電特性有待于進(jìn)一步提高，這使得壓電材料的應(yīng)用受到極大限制。各國學(xué)者正在努力開發(fā)，一旦找到一種優(yōu)異的壓電材料，相信將會取代傳統(tǒng)的、笨重的機(jī)電換能設(shè)備，如電動機(jī)、馬達(dá)等。到那時，壓電研究將會全方位地發(fā)展，甚至可能影響到我們生活的各個方面。
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