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传感器新材料(一)——压电薄膜
2018-05-07 点击率:828

压电传感器


压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时,由于内部电荷的极化现象,会在其表面产生电荷的现象。压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。

压电薄膜传感器

20世纪60年代,美国科学家发现在鲸鱼的骨和腱内,存在着微弱的压电效应,于是开始了对其它有可能具有压电效应的有机材料的研究工作。1969年Kawai(凯沃)发现在极化的含氟聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)中有很高的压电能力,其它材料如尼龙和PVC也都具有压电效应,但没有一种能像PVDF及其共聚物一样呈现出那么高的压电效应。

压电薄膜

压电薄膜是一种柔性,质轻,高韧度塑料膜并可制成多种厚度和较大面积。压电薄膜压力传感器主要用于测量平面波,作为一种传感器,它的主要特性参数如下:
 ¨ 宽频带 ¾ 0.001 Hz~109Hz
 ¨ 宽动态范围(10-8~106Psi或μtorr~Mbar)
 ¨ 低的声阻抗 ¾ 与水、人体组织和粘胶体系接近
 ¨ 高弹性柔顺性
 ¨ 高电压输出 ¾ 对同样受力条件,比压电陶瓷高10倍
 ¨ 高介电强度¾ 可耐受强电场作用(75V/μm)大部分压电陶瓷退极化
 ¨ 高机械强度和抗冲击(109 ~010Pascal模数)
 ¨ 高稳定性¾耐潮湿(吸湿性<0.02%)、多数化学品、氧化剂、 强紫外线和核辐射
 ¨可加工成特定形状
 ¨可以用市售胶粘合

压电膜的一个主要优点就是它有低的声阻抗,其声阻抗比压电陶瓷更接近水,人体组织和其他有机材料的声阻抗。例如,压电膜的声阻抗(Z0=ρυ)只相当于水的2.6倍,而压电陶瓷的声阻抗通常是水的11倍多。一个接近的阻抗匹配便于更有效地在水和人体组织中转导声音信号。


压电薄膜传感器的应用
 
水听器

近年来国内外众多企业和科研院所对一种新型的PVDF压电薄膜水听器进行了深入创新。  目前,通用电气公司正在销售以2.5μm厚PVDF压电薄膜为基片的单膜片水听器,它们能用于医用和NDE 换能器1 并能进行0.5~50 HZ范围内的特性记述和校准。由于这些装置的长期稳定性和可重复性,英国皇家实验室早在5年前就把它们作为对照装置。水听器的这些特性已被利用来开发一种多元式的新型仪器。一种360°水下扫描声纳系统由100个PVDF基片水听器组成,用于水下安全/救援装置。这种装置由Marconi水下系统有限公司几年前生产。该系统使用被动模式, 操作频率为1~1000 HZ ,也能以主动模式在三个不同的频率下工作。用这种系统可以检测到3 km以外的小的潜水艇,也可以检测到600m以外的发动机,角度偏差小于5’。最近的水听器计算模型表明,如对PVDF元件进行合理的设计,在系统演示中,水听器可以检测到超过10 dB 的信号。



 监测内衣

在现代医疗物联网中,医生各类传感器监测病人信息,进行远程就诊已经称为未来发展的趋势。台湾振兴医院给病人提供远程诊断服务,患者可以将一种压电薄膜传感器护心卡带回家,此卡收集病人心音并储存,通过电话语音将信息发送给医生进行远程诊断。美国Infantrust开发的一款名为Respisense婴儿监控仪,则是将压电薄膜夹在纸尿片贴近婴儿腰部的位置,监控婴儿心跳。另一种新的应用正在被创新,即将压电薄膜传感器布置于内衣内,实时监测病人的心音、脉搏、呼吸信息,并通过无线发射模块发射至病人或医生手机,完成自诊或医诊。

 
动态称重

目前用于动态称重的手段很多,主要有石英谐振式、压阻弯板式,但因其价格昂贵和动态反应慢缺点,在现代高速公路动态称重系统应用中收到很大的限制。采用压电薄膜传感器是更为廉价、精确度更高、更方便施工的WIM传感器。此外,通过将压电薄膜传感器预埋设在U型槽钢内,可大大提高测量的准确性、也方便了现场施工。



 能量采集

将柔性压电薄膜,实现道路交通、人行道、脚底等d33模式下的压电能量采集。


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