压电传感器及其工程应用

4????1??3600??10?n32KEt????6??NDv??iiDi ???12??10??t??A?i?1式中vDi为雨滴的速速，Ni是雨滴的等级数

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??式中D为雨滴的直径。

应用此压电测试系统，可以很好的测量出在不同雨量以及不同终端速度情况下，雨滴的动能，从而进一步估算出雨滴对土壤的侵蚀力。由此可以看出，压电传感器在解决气象学问题的巨大潜力，基于压点传感器的这种测力原理，压电传感器也被应用在农业机械方面。

基于压电传感器的种子计数系统，利用压电陶瓷片检测种子撞击悬臂梁后产生的振动，将振动转换为电压波形，经放大整形后变成单个窄脉冲信号，实现种子计数。

当种子从某一高度下落，与固定在落种导管下方且有一定倾角的悬臂梁式机构撞击，悬臂梁受撞击后产生的振动经过悬臂梁下端的压电传感器变换为电压信号，经信号处理电路输入单片机进行计数[6]。压电式计数系统结构如图4所示。

图4 压电式计数系统

系统中1为种子，2为落种导管，3为悬臂梁，4为压电传感器，5为放大电路，6为单片机，7为数码管。压电传感器选用环形压电陶瓷片，外圆直径为32mm，中孔直径为10mm，厚度为2mm。压电陶瓷片质量较小，谐振频率接近100kHz。根据压电陶瓷片的尺寸和安装要求，选用70mm×40mm的减震橡胶块作为悬臂梁。为了让种子撞击后顺利弹开，避免再次撞击，悬臂梁安装倾斜角约为45°，种子则由落种导管引向悬臂梁下端。用硅胶把压电陶瓷片粘贴在受种子冲击的悬臂梁背面，悬臂梁另一端固定。悬臂梁上粘贴有压电传感器的区域对振动有较好的响应。落种导管中间段呈缩口型，种子下落出口段为矩形段，落种导管的整体高度应使种子冲击力有足够的余量，补偿因部分种子质量较轻或者与导管接触碰撞后损失的能量。当有种子落下的时候，正好砸在悬臂梁上，贴在悬臂梁上的压电传感器记录一次，将记录的信号送到单片机以及数码管，完成一次计数过程，

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当有连续不断的种子落下时，能够依次实现计数过程。

压电传感器在降水模拟器中的实验模型与在此种子计数系统中的模型是相似的，均是采用了压电传感器的正压电效应，将机械能装换成为电信号以便于后续的数据处理，可见二者虽然应用于不同的领域，但是彼此是可以相互借鉴的。

3.4 压电传感器在土木工程中的应用

压电传感器在土木工程中也有比较广泛的应用，在混凝土等建筑中的健康监测中尤为突出。压电传感器测量结构振动所引起的动态应变，实现结构的振动监测；将先进的传感元器件网络嵌入或以其他方式集成在传统的土木结构中，通过在线实时获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度等)，对结构的冲击、损伤、缺陷等状态进行实时监测和控制，实现健康自诊断，以保证工程结构和基础设施的安全可靠及降低维修费用；采用压电传感器和执行器对刚架桥梁的螺钉松动情况进行监测；还可以利用压电传感器测量材料破坏时的声发射信号,来得知裂纹的位置,以及通过测量冲击激起的弹性波信号实现冲击的定位等。

在当代的土木工程中，钢筋混凝土结构占据了很大的比例。由于地震、台风，爆炸、结冰等恶劣条件的影响，混凝土结果很容易受到破坏，所以，对于混凝土结构中的重要部分进行是非常有必要的。在传统的桥梁健康监测中，不能获得足够的实时监控信息，以及设备昂贵，耗资较大等缺点[8]。现在，在工程上有一种基于压电材料的混凝土被动检测系统，该系统的核心部件是一种新型的的压电陶瓷—PZT材料。PZT是一种典型的压电陶瓷材料，其同样具有双向压电效应，当PZT受到外力的作用时，会产生电荷；当有外电荷加载到PZT材料上的时候，它会产生形变，其双向压电效应如图5所示

[7]

图5 PZT压电效应示意图

现在在工程应用中，对于混凝土等土木工程材料的主动监测主要有两种方法：第一种是阻抗分析法；另外一种是声波分析法。对比两种监测方法可知，声

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波分析方法较比阻抗分析方法具有明显的优越性，表现在声波分析法具有很宽的监视范围，可以减少传感器的数量，以及拥有丰富的模型便于识别各种损伤等优点。但是对于混凝土的被动监测系统却比较少见。此处用到了PZT压电材料，并基于声发射技术很好的解决了这一被动监视的问题。当混凝土等土木工程结构发生裂纹、断裂等损坏时，其一定伴随有声发出，即使是很微弱的声音，此时这种被动监视设备能够搜集到声音信号，并传回到系统中进行分析。这种被动监视装置是由一种特殊的结构制成的，其结构示意图如图6所示

图6 装置结构示意图

将这种小型装置埋入待检测的混凝土中，就可以搜集到其由于损伤所产生的声波信号，对此声波信号进行频域分析，就可以得到混凝土损伤的全过程以及损伤程度，进而实现了混凝土额被动监测。

于此相仿的是在我国的台湾地区，有学者专门应用这种PZT材料对”牛斗桥”进行了可靠的实验分析[9]。将压电传感器埋入桥墩结构内，当试体受到破坏时，由压电传感器发射应力波及由不同位置的压电传感器来撷取应力波，利用应力波振幅随着结构破坏程度、裂缝增加而减少振幅的特性，可知桥墩结构物的损坏程度。

对于已建成使用的超高层建筑、大跨度空间结构、大跨度桥梁等重要建筑需要布置有效的监测系统，对其关键部位应力、位移以及整个结构的动态特性进行实时监测，随时评定其安全状况，在出现危险信号时候及时发出预警，避免灾难发生；对于拟建和在建的大型土木工程结构，在吸取以往的经验和教训基础上，在施工过程中就埋入各类传感器。然而目前常用的传感器在土木工程结构中的应用都存在若干问题，如埋入式传感器会改变结构内应力分布；传感器寿命小于结构寿命；传感器在结构施工中易被破坏等等[10]，为此特地开发了一种新的封装材料来粘结水泥块和压电陶瓷片。这种封装材料由干水泥粉和环氧树脂混合而成，它具有高强度、高电阻率和高防水性。这种材料硬化以后，其强度远高于环氧树脂硬化后的强度，接近于水泥硬化的强度。封装材料与水泥块间的力学性能匹配更有利于从水泥块到压电陶瓷间的应力传递，确保压电陶瓷上获得真实应力。同时这种封装材料还具有同环氧树脂一样高的电阻率，可以保证传感器的电学稳定

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性。另外，这种封装材料还具有很高的防水性，可以保证压电陶瓷不受水汽的影响。

3.5 基于声发射技术的水泥基压电传感器在混凝土监测中的应用

研究中讨论了利用声发射技术工作的水泥基压电传感器的可靠性，这个传感器有0至3个感受压力的部分，通过将具有压电性能的粉末进行挤压，形成硬币大小的复合材料。通过改变压电陶瓷粉末的剂量，能够使其适应不同的应用程序。传感器被嵌入在混凝土中，并且具有较宽的频率响应。

声发射技术是被动无损检测技术，通过检测声波来达到探测材料或者结构的损伤。在声发射技术中，传感器和结构的表面进行耦合。由于混凝土是声波的高衰减材料，声发射技术不适用于大型混凝土结构以及地下工程结构的监测，为了解决这一问题，本实验提出了运用嵌入式水泥基压电传感器，在对建筑结构进行水泥浇筑时，将水泥基压电传感器嵌入其中，就能够很好的对其进行监测。在智能监控系统中，压电传感器具有较宽的频域响应以及很高的灵敏度，是至今为止性能表现最好的一种材料。

水泥基压电传感器是将压电陶瓷粉末与白水泥进行混合，混合后的复合材料比单一的压电陶瓷材料参数具有明显的优越性，二者对照表如下表7所示

d33为介电常数，??33为压电常数，Kt为换能系数，Q为衰减系数

m图7 压电陶瓷与复合材料对照表

水泥基压电传感器制作过程如下，将水和压电粉末以比率为0.15的比例进行混合，将混合物做成硬币大小的形状，并进行100MP高压处理，将这个毛坯放入温度为65度、相对湿度为98%的环境中保持24小时，然后将其表面涂上一层金属粉，这道工序是至关重要的，然后将试件放在80度的环境中，并加入4000V/mm的电压进行极化操作，最后放入硅油中进行冷却去除应力[11]。

将制作好的硬币形状的压电混合材料片进行正负极的标定，并对其表面进行绝缘处理，粘接上导电层和接地层数据线，将线路沿着轴向方向引出，并将导线连入压电片的正负极，成品的示意图与实物图如图8所示

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