压电式传感器的发展和应用

压电式传感器的发展和应用

摘要：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。

压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。

关键字：压电式传感器，压电效应，发展与应用

正文：

1.压电式传感器的工作原理

1.1压电效应

压电式传感器是利用电解质的压电效应工作的。某些晶体，在一定方向受到外力作用是，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷;当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电效应。

1.2压电材料

压电材料分三类

压电晶体，如石英等；

压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；

压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。

1.3压电式传感器等效电路

右图是压电压电式传感器的等效电路。当

压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力

的作用时，在它的两个极面上出现极性相反

但电量相等的电荷。

其电容量为

2.压电式传感器的发展

2.1压电式传感器的发展

压电传感器技术的发展历程可分为三个阶段。第一个阶段是60～70年代，传感器以电荷输出为主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号适调装置；到了80～90年代中期，出现了IEPE(In Electronics Piezoelectricity)传感器，也被称为低阻抗电压输出传感器，它主要解决了压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题；第三阶段是90年代中期至今，即插即用智能TEDS 混合模式接

口传感器

2.2国内发展现状

在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界先进水平，自70年代以来，压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。改革开放之后，随着引进国外先进技术和管理经验，国民经济进入快阶段，现代测量技术的发展与应用成为必然。因此，压电传感器测术引起了一定程度的重视。但是，由于在压电传感器测量技术的研究与应用上与国外发达国家相比，起步较晚，技术基础薄弱。直到目前压电传感器总体技术水平依然处于上述的第一发展阶段。

国内进行智能传感器研究的单位主要有：中科院合肥智能机械研究所传感器技术国家重点实验室(国家“863”计划资助项目：安徽省自然科金资助项目；中国博士后科学基金资助项目)；中国科技大学；电子科学自动化系；北京大学计算机科学技术系(国家“863”计划资助项目)，华南理工大学机电工程系(广州省重点攻关项目；广州市重点攻关项目)；东南大学仪器科学与工程系(973计划项目)。通过几年的努力，这些单位都在网络化测控系统和智能传感器开发平台的研究中取得了不同程度的成就。

3.压电式传感器的应用

压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，在诸多行业中得到了广泛的应用，如工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域。

3.1压电传感器广泛应用于智能交通系统

随着全球智能交通技术(ITS)的发展，与众多的技术一样，美国MSI传感器公司研发与生产的压电传感器在过去数年里取得了长足的发展。它为用户提供的不仅仅是良好的性能，高度的可靠性，简易的安装方法，还有逐步降低的价格。它独一无二的特性使其在日益扩展的应用中成为理想的选择。

3.1.1压电薄膜传感器

美国MEAS 公司经过多年研究，开发出了一种压电薄膜交通传感器，

该传感器被广泛用于检测车轴数、轴距，车速监控，车型分类，动态称重

(WIM)，收费站地磅，闯红灯拍照，停车区域监控，交通信息采集( 道路监

控)及机场滑行道监控。压电薄膜交通传感器的长处是可获取精确的、具体

的数据，如精确的速度信号、触发信号和分类信息及长期反馈交通信息统计

数据。

3.1.2行驶中称重

在美国、巴西、德国、日本和韩国有大量应用，其主要用

途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统，

既判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车辆是否超

载，由视频系统拍下车牌号记录在案，然后再由执法机构用精

度较高的低速称重系统判断超载量并根据超载量罚款。

3.1.3闯红灯拍照

压电薄膜交通传感器也可作为闯红灯照相机的触发器。在交叉路口的红灯线前安装两个传感器，传感器与红灯线的最小距离一般为2 米。两条传感器的间距为1 米或小于1 米，可安装在地感线

圈的上方，所有数据由前轮采集，在车辆通过传感器移

动6″(150mm) 以前完成信号采集，信号采集与速度和

车辆类型无关，可在交通流量高密度时使用，照相机控制

器与红绿灯控制器相连，以便只在红灯时完成动作

用两条传感器确定车辆到达停车线前的车速，如果红

灯已亮并且车速大于预置值，就会自动拍下第一张照片。

第一张照片证明红灯已亮，而且车辆在红灯亮时未超越停

车线，并可证明车速及已亮红灯的时间。第二张照片根据车速在第一次拍照后一定的时间内拍出，一般来说为1 至2 秒。第二张照片证明事实上车辆越了停车线进入交叉路口并闯了红灯。

3.1.3车速检测

通常在每条车道上安装两条传感器，这便于分别采集每条车道的数据。使用两个传感器可计算出车辆的速度。当轮胎经过传感器A 时，启动电子时钟，当轮胎经过传感器B 时，时钟停止。两个传

感器之间的距离一般是3 米，或比3 米短一些( 可

根据需要确定)。传感器之间的距离已知，将两个传

感器之间的距离除以两个传感器信号的时间周期，

就可得出车速。根据德国PTB 的报告，在汽车以200

公里/ 小时的匀速行驶时，测量精度可达到1%。

3.1.4压电传薄膜交通感器特点：

1)无源传感器:可在前置放大器前长距离传送而不需要供电。

2)寿命长:超过4千万次ESAL(等效单轴负载)安装质量好可达一亿次(ESAL)。

3)大信号:200公斤轮载,在55英里速度行驶时,输出最小250mV信号。

4)动态特性好:可测自行车,摩托车,小汽车及重型货车。

5)高信噪比:传感器的扁平结构即宽厚比为6:1使非受力方向的躁声最小。包括路面躁声和相邻车道车辆的躁声最小。

6)最小的路面破坏:安装切口仅为19mmx19mm。并可与路面轮廓一致.