摘 　要： 介紹了壓電傳感器的分類和測(cè)量原理,，綜述了國(guó)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(cè)方面的主要應(yīng)用實(shí)例,。介紹了基于壓電傳感測(cè)試技術(shù)的橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究,，最后討論了壓電傳感器在進(jìn)一步實(shí)用化過程中面臨的困難和需要解決的問題，并對(duì)其應(yīng)用前景做了展望,。
　　關(guān)鍵詞： 壓電傳感技術(shù),； 監(jiān)測(cè)； 應(yīng)用

?

　　自1880年兩位法國(guó)科學(xué)家J. Curie 和P. Curie 在研究石英晶體時(shí)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(chǎng)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(gè)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：工作頻率范圍寬（可從幾十赫茲到幾百兆赫）,、動(dòng)態(tài)范圍大,、頻響時(shí)間快、靈敏度高,、溫度穩(wěn)定性好(-20℃～+150℃),、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，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(cè),，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(diǎn)
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(dòng)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(cè)量，而適于動(dòng)態(tài)力的測(cè)量,。該類傳感器主要用于(壓)力^[1],、加速度^[2]、應(yīng)變^[3]等的測(cè)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(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而形成一個(gè)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(shí),，上述特性參數(shù)也將發(fā)生改變,。根據(jù)輸出信號(hào)的形式分為頻率型、幅值型和相位型三種,。若按傳感器測(cè)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(cè)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(cè)外界參數(shù),。主要用于檢測(cè)力、壓力,、加速度(包括線加速度和振動(dòng)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(cè)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(shí),，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(cè)量傳感器,，即壓電諧振式溫度計(jì),；另一類是熱量測(cè)量傳感器，由熱敏諧振器和輔助電加熱器組合而成,。熱量測(cè)量傳感器的工作方式分兩種：一種是被測(cè)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(jì),，也可做成電壓、電流等電學(xué)量的測(cè)量傳感器,；第二種是被測(cè)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(jì)、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(cè)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,。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(cè)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(cè)鍍膜厚度等,。
　　此類傳感器具有靈敏度高、通用性強(qiáng),、測(cè)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(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)，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(cè)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(cè)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(diǎn)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(dòng)同時(shí)又旋轉(zhuǎn)（角速度矢量與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移矢量垂直）時(shí)，振子中就會(huì)出現(xiàn)符號(hào)交替變化的與角速度矢量和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)陀螺儀,，用于檢測(cè)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(chǎng)等）并對(duì)SAW的傳播特性（包括波長(zhǎng),、波速,、波傳播長(zhǎng)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(cè)量各種化學(xué),、物理的被測(cè)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(duì)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(shí)間,。而后者是換能器和反射柵共同組成的一個(gè)諧振腔,，當(dāng)壓電基片上的SAW受到外界參數(shù)調(diào)制時(shí)，其諧振頻率將發(fā)生改變,。
　　壓電SAW 傳感器具有許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：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(shí)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(dòng)態(tài)范圍大,；⑹無線無源型SAW傳感器能對(duì)旋轉(zhuǎn),、移動(dòng)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(cè),。
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(cè)量信息的超聲回波轉(zhuǎn)換為電信號(hào),，根據(jù)超聲波特性進(jìn)行各種檢測(cè),。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(cè)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(cè)介質(zhì)，被測(cè)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(cè)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(cè)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(guó)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(guó)家和地區(qū)，如日本,、英國(guó),、德國(guó)、韓國(guó),、中國(guó)臺(tái)灣,、中國(guó)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(dòng)器, 使結(jié)構(gòu)的自感知和自控制成為可能,。各國(guó)學(xué)者在對(duì)壓電智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究的同時(shí)，也對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的探索,。主要集中在以下幾個(gè)方面,。
2.1.1 減振降躁
　　壓電智能結(jié)構(gòu)在振動(dòng)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(dòng)控制^[4],。研究對(duì)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(jì)通常有三種方法, 即主動(dòng)控制,、被動(dòng)控制及主被動(dòng)混合控制。被動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、容易實(shí)現(xiàn)、成本低,，但缺少控制上的靈活性,，對(duì)突發(fā)性環(huán)境變化應(yīng)變能力差；與被動(dòng)控制相比,，主動(dòng)控制以現(xiàn)代控制理論為主要工具,，具有較大的靈活性，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng),，是當(dāng)前振動(dòng)工程中的一個(gè)研究熱點(diǎn),；被動(dòng)控制與主動(dòng)控制相結(jié)合形成混合控制策略是當(dāng)前振動(dòng)工程的一個(gè)新興方向。
　　壓電智能結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要應(yīng)用方向是噪聲主動(dòng)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(dòng)主動(dòng)控制不同之處在于,，振動(dòng)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(jià)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(yùn)動(dòng),，可提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度^[6]。
2.1.3 結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)
　　應(yīng)用壓電傳感元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)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(jì)算和分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)^[7],；另一種則是通過分析結(jié)構(gòu)中傳播的振動(dòng)波來進(jìn)行損傷預(yù)測(cè)^[8],。這兩種方式可以為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定與損傷定位提供可靠信息，從而為土木工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期,、實(shí)時(shí)健康檢測(cè)提供了新的方法,。
2.2? 加工工藝監(jiān)測(cè)
　　壓電式力、應(yīng)力,、振動(dòng)及聲發(fā)射傳感器因其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),，成為現(xiàn)代化自動(dòng)控制制造業(yè)中狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理想選擇[9]。(1)對(duì)于磨削,、鉆孔和攻絲,，采用最新的遙測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)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(cè)力計(jì)可以直接安裝在軸和刀具之間,，直接測(cè)量旋轉(zhuǎn)刀具的切削力,，對(duì)分析計(jì)劃生產(chǎn)過程和確定用于實(shí)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(huì)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(jià)值是對(duì)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(cè)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(cè)切削力、進(jìn)刀力和被動(dòng)力的大小以及相關(guān)的聲發(fā)射信號(hào),。
2.3 太空空間探測(cè)
　　PVDF壓電薄膜因?yàn)槠鋱?jiān)固耐用,、不需要偏置電壓、容易制造大面積傳感器,、高計(jì)數(shù)率和固有的高可靠性等一系列優(yōu)點(diǎn),，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(cè)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(cè)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(cè)哈雷彗星,。探測(cè)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(guó)ARGOS(Advanced Research and Global Observation Satellite)衛(wèi)星上的SPADUS(space dust)儀器^[11],，可用來探測(cè)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(cè)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(cè),，了解太陽系內(nèi)的宇宙塵分布進(jìn)而對(duì)太陽系的形成進(jìn)行探索,。我國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)的空間碎片探測(cè)器，相信在不久的將來就會(huì)有我國(guó)自行研制的PVDF壓電探測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guó)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(hào),、觸發(fā)信號(hào)和分類信息及長(zhǎng)期反饋交通信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。巴西,、德國(guó),、日本和韓國(guó)在壓電檢測(cè)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(zhǎng)度可達(dá)幾千米，直徑為1.5mm,。它能把聲音、振動(dòng),、沖擊,、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào),，使用方法非常靈活,，它克服了壓電薄膜及壓電陶瓷的缺點(diǎn)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(dòng)傳感,、入侵報(bào)警和安全防衛(wèi),、交通流量統(tǒng)計(jì)、應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量,、工業(yè)控制與檢測(cè)等,。
2.6 航空和航海
　　由Sigma 研究公司研制而成的“便攜式自動(dòng)遠(yuǎn)程檢查系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱PARIS^[15]，專門為對(duì)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(jì),。其關(guān)鍵元件是一個(gè)200mm×200mm的可變形PVDF壓電薄膜,，其中含有1024 個(gè)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(gè)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(cè)試,。而對(duì)于鋁和鋼的測(cè)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(guó)國(guó)家研究所和法國(guó)蒙特利奇大學(xué)對(duì)壓電薄膜防污進(jìn)行了研究^[16],。壓電薄膜已被證實(shí)對(duì)測(cè)量殼體聚合物的振動(dòng)比較有效,，因此可以用它來防止絕大部分會(huì)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(shí),，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(guó)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(guó),、美國(guó)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(gè)裝有PVDF壓電薄膜的墊子放于嬰兒身體下面,，對(duì)由呼吸,、心跳引起的輕微振動(dòng)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(shí)間間隔超過預(yù)先設(shè)置的時(shí)間長(zhǎng)度(如20s)時(shí),，它便會(huì)觸發(fā)警報(bào)器,，這樣就能及時(shí)有效地防止嬰兒窒息死亡。
3?工程實(shí)踐應(yīng)用
　　國(guó)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(dòng)控制,。基于壓電傳感測(cè)試的許多優(yōu)點(diǎn),，筆者正在進(jìn)行基于壓電傳感的土木工程橋梁低頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法研究,，采用PVDF壓電薄膜作為傳感元件,，通過測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變間接測(cè)量橋梁振動(dòng)的特征參數(shù)，從而監(jiān)測(cè)橋梁上的交通狀況,。目前已進(jìn)行了前期的理論驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)室仿真,，針對(duì)工程領(lǐng)域中的低頻振動(dòng)測(cè)量，選取激振頻率從0.1Hz變化到40Hz,，測(cè)試了不同激振頻率下壓電應(yīng)變傳感器的動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)特性,，而且被測(cè)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(dòng)測(cè)量的要求,，為實(shí)際工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

?