4. 壓電薄膜軸傳感器

　　4.1 壓電薄膜軸傳感器的發(fā)展歷程及其特點

　　20世紀60年代，美國科學家發(fā)現(xiàn)在鯨魚的骨和腱內存在著微弱的壓電效應，于是開始了對其它有可能具有壓電效應的有機材料的研究工作。1969年Kawai（凱沃）發(fā)現(xiàn)在極化的含氟聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）中有很高的壓電能力，其它材料如尼龍和PVC也都具有壓電效應，但沒有一種能像PVDF及其共聚物一樣呈現(xiàn)出那么高的壓電效應。

　　PVDF壓電薄膜通常很薄，不但柔軟、密度低、靈敏度極好，而且還具有很強的機械韌性，其柔順性比壓電陶瓷高出10倍�？梢哉f是一種柔性、質輕、韌度高的塑料膜，可制成較大面積和多種厚度。它可以直接貼附在機件表面，而不會影響機件的機械運動，非常適用于需要大帶寬和高靈敏度的應變傳遞。作為一種執(zhí)行器件，聚合物很低的聲阻抗，使其可以有效的向空氣和其它氣體中傳送能量。PVDF壓電薄膜傳感元件，在美國已形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，有較大的發(fā)展空間。 汽車的加速度計、座位占據(jù)感應器、汽油液位計、輪胎轉速器、防盜感應器等；智能交通系統(tǒng)的車輛軸數(shù)、軸距、輪胎數(shù)計量，車速監(jiān)測、車道控制，停車區(qū)域監(jiān)控，動態(tài)稱重等都有應用。

　　4.2 共聚物壓電薄膜的壓電效應與特性參數(shù)

　　共聚物聚偏氟乙烯（PVDF）是一種經(jīng)特殊加工后能將動能轉化成電能的聚合體材料，具有很高的壓電性能。應用此種壓電材料制成的傳感器，當受到機械沖擊或振動時，壓電材料原子層的偶極子（氫—氟偶對）的排列順序被打亂，并試圖使其恢復原來的狀態(tài)，這個偶極子被打亂的結果就是一個電子流的形成而產(chǎn)生電荷，這就是PVDF的壓電效應[5]。此壓電效應是可逆的，它可以把機械能轉換為電能，也可以把電能轉換為機械能。即當有外載荷施加到傳感器上時，就會產(chǎn)生電荷（電壓），而當卸去外載荷時，就會產(chǎn)生一個極性相反的信號。它產(chǎn)生的電壓可以相當高，但傳感器產(chǎn)生的電流卻比較小。

　　PVDF壓電薄膜具有密度低、材質輕、靈敏度高、機械韌性好等特點，可制成多種厚度和較大面積。作為一種傳感器它的主要特性參數(shù)如下：

　�。�1）頻帶寬：0.001Hz～109Hz；
　�。�2）動態(tài)范圍廣：10-8～109Psi（磅/平方英寸）；
　�。�3）聲阻抗低：與水、人體組織和粘膠體系接近；
　�。�4）彈性柔順性好；
　�。�5）高電壓輸出：在同樣受載條件下，比壓電陶瓷高10倍；
　�。�6)高介電強度：可耐強電場作用(75V/μm），此電場強度大部分陶瓷都退極化；
　�。�7）機械強度高，耐沖擊、振動性能好；
　�。�8）穩(wěn)定性高：耐潮濕、耐多數(shù)化學品、耐氧化劑、耐強紫外線和核輻射；
　�。�9）可加工成特定形狀；
　�。�10）可以用市售膠粘合。

　　4.3  PVDF壓電薄膜軸傳感器的檢測原理與技術性能

　　PVDF壓電薄膜軸傳感器是由鍍銀銅絲編織成的扁平芯線，纏繞在芯線上的在強電場中極化的薄膜（或涂層）和0.4mm的黃銅管外護套制成的同軸“線纜”式結構。在制造過程中，將PVDF材料置于一個強電場中進行極化，數(shù)量級為一毫米厚的壓電材料大約100000V。極化場使非結晶聚合體變成半晶體形式，同時又保留了許多聚合體的柔韌特性。

　　共聚物PVDF壓電薄膜軸傳感器的檢測原理，與其說是在車輛經(jīng)過時采集信息，不如說是在車輛輪胎壓過軸傳感器時采集信息。即輪胎壓過壓電薄膜軸傳感器時，便產(chǎn)生一個與輪胎壓力成正比的模擬信號，并且輸出的周期與輪胎停留在軸傳感器上的時間相同。每當一個輪胎經(jīng)過軸傳感器時，軸傳感器就會產(chǎn)生一個新的電子脈沖。由此不難得出，壓電薄膜軸傳感器用于公路行駛車輛動態(tài)稱重的檢測原理是對動態(tài)載荷產(chǎn)生信號的積分。 共聚物
PVDF壓電薄膜軸傳感器的技術特性如下：

　　（1）無源傳感器：可在前置放大器前長距離傳送而不需要供電；
　　（2）工作壽命長：等效軸載荷可超過四千萬次，如果安裝質量好可達1億次；
　　（3）輸出信號大：200kg輪載荷，55英里/小時（88.5km/h）時，最小輸出信號250mv；
　　（4）動態(tài)特性好：軸傳感器6∶1寬厚比的扁平結構，使非受載方向的噪聲最小，包括路面噪聲和車道車輛的噪聲；
　�。�5）對路面破壞最小：安裝軸傳感器切口僅為19×19mm，并可以與路面輪廓一致；
　　（6）一次安裝可獲取多種信號：可測量軸數(shù)、軸距、車速、動態(tài)稱重、車輛分類統(tǒng)計等。

　　4.4 共聚物PVDF壓電薄膜軸傳感器的應用

　　共聚物PVDF壓電薄膜軸傳感器主要用于智能高速公路管理系統(tǒng)，公路車輛超限監(jiān)測系統(tǒng)和橋梁、遂道保護預警系統(tǒng)等。檢測項目為軸數(shù)、軸距、輪胎數(shù)測量，車速測量，車輛動態(tài)稱重等。

　　4.4.1 車速監(jiān)測

　　在車輛行駛道路上安裝A、B兩條永久性的軸傳感器，一般A、B軸傳感器的距離為3m（可根據(jù)需要確定）。當行駛車輛的輪胎經(jīng)過軸傳感器A時，電子時鐘起動，經(jīng)過軸傳感器B時，時鐘停止，此時距離和時間已知，就可求出車輛行駛速度。根據(jù)德國PTB的報告，汽車以200km/h的速度行駛時，測量準確度可達1%。

　　有的國家在行車道上安裝A、B、C三條軸傳感器，車輪從軸傳感器A到B，再到C，最終從軸傳感器AB、BC和AC三個間距中，可計算出3個車輛行駛速度，然后對3個車速進行對比，它們都應在規(guī)定的范圍內，之間的誤差通常不超過2%。

　　4.4.2 軸距測量

　　由于車速在A、B軸傳感器3m間距內基本是勻速，用車軸經(jīng)過軸傳感器時建立的信號時間差乘以車速，就可得出軸距。

　　4.4.3 軸數(shù)測量

　　由于軸傳感器是檢測輪胎壓過時的力，因此即使輪胎靠得很近時，也很容易計量出軸數(shù)。但當車輛密集、低速行駛及車型相似時，很難區(qū)分所計軸數(shù)是同一輛車的還是兩輛車的，而電感線圈只能感受不能計量軸數(shù)。因而用電感線圈+壓電薄膜軸傳感器的方案即可測得車數(shù)又能計量軸數(shù)。一般多采用軸傳感器+電感線圈+軸傳感器的方案，來獲取車速信號并進行軸數(shù)等其它計算。

　　4.4.4 輪胎數(shù)測量

　　盡管世界上各國的車輛分類標準有所不同，但都有自己國家在用車型的特點，有些國家是以雙輪胎作為車輛等級劃分標準。為了檢測雙輪胎，通常在與行車方向成300～450角再加裝一條壓電薄膜軸傳感器。當雙輪胎經(jīng)過斜埋的軸傳感器時，就會產(chǎn)生雙峰脈沖，通過電路處理即可識別雙輪胎信號。垂直行車方向安裝的軸傳感器仍用來檢測車速、軸數(shù)，并與斜埋的軸傳感器計量數(shù)據(jù)進行比較。

　　4.4.5 輪距測量

　　我國的車輛種類很多，存在同軸距而不同輪距的問題，如果檢測系統(tǒng)能分辨輪距，將增加系統(tǒng)的覆蓋率和準確度。將壓電薄膜軸傳感器以一定角度斜埋路面就可完成輪距測量任務。

　　4.4.6 車輛分類統(tǒng)計

　　壓電薄膜軸傳感器的主要用途是車型分類，根據(jù)所用車輛的種類，不同國家制定了不同的車型分類表，對行駛車輛進行分類。車輛的類型是根據(jù)檢測的軸數(shù)、軸距、輪距等數(shù)據(jù)確定。

　　4.4.7 動態(tài)稱重（WIM）

　　公路車輛行駛中稱重主要是用于整車或軸載超限監(jiān)測的預選和橋梁超載警告系統(tǒng)。壓電薄膜軸傳感器用于動態(tài)稱重時，必須采用永久性的安裝方式，按工藝要求的安裝程序將軸傳感器埋在路面內，必須確保軸傳感器筆直平整，并使支架頂部、灌封材料與路面平齊，灌封材料應完全包住軸傳感器及引線的連接區(qū)域。軸傳感器的稱量準確度與車輛振動、輪胎壓在軸傳感器上的面積、環(huán)境溫度等有關。尤其是道路質量對動態(tài)稱重準確度影響較大，用在水泥路面較好，工作壽命長于瀝青路面。車輛行駛速度范圍可以從5km/h到200km/h，較成功的系統(tǒng)在低速端可達到10m/min（0.6km/h）。動態(tài)稱量準確度為±10%，個別成功的系統(tǒng)可達1～2%。

　　4.4.8 不停車電子收費系統(tǒng)（ETC）

　　我國現(xiàn)行的公路車輛收費標準，一直采用傳統(tǒng)的按客車座位數(shù)分類，收費效率低，制約了車流量的提高，是極待解決的問題。由于行駛車輛種類繁多，按現(xiàn)行分類方法在不停車電子收費系統(tǒng)中，引入自動分類法十分困難。如按軸距、軸數(shù)分類，再考慮整車重量，應是比較合理的方法。建立合理的車輛分類標準是解決ETC問題的關鍵。制訂標準的基礎是各參數(shù)的檢測手段，應將壓電薄膜軸傳感器技術與視頻技術及網(wǎng)絡技術結合起來，針對車輛的軸數(shù)、軸距、輪數(shù)，長、寬、高等物理特性設計車型識別系統(tǒng)。

　　4.4.9 道路監(jiān)控

　　隨著智能高速公路管理系統(tǒng)和交通信息采集統(tǒng)計系統(tǒng)的發(fā)展，壓電薄膜軸傳感器的應用范圍不斷擴大，并形成了一門專業(yè)技術。近年來我國高速公路里程僅次于美國居世界第二位，極需對公路的交通負載、車輛類型和軸載、車載進行監(jiān)控，以確定道路的磨損類型和等級。在這種方式下，通常應用的是周期信息采集。由于我國高速公路車輛流量大且超限嚴重，加重了道路負荷，在設計使用年限之初就出現(xiàn)龜裂、塌陷、車轍而過早損壞，使道路破壞修復次數(shù)增加，造成養(yǎng)護費用上升，因此對公路狀態(tài)的監(jiān)測變得越來越重要。利用網(wǎng)絡技術、視頻技術及埋在路面下的地感線圈和壓電薄膜軸傳感器組成的檢測系統(tǒng)，就能實現(xiàn)交通信息的短期或長期采集，將車流量、車軸數(shù)、車速、軸距、車輛分類、載重量等信息進行收集分析，為公路規(guī)劃、設計、維護和決策提供可靠、全面的數(shù)據(jù)。

　　結論

　　本文介紹的美國MSI公司研制的共聚物PVDF壓電薄膜軸傳感器，以及瑞士Kastler（奇石樂）公司研制的壓電石英晶體動態(tài)稱重傳感器，已在世界許多國家的智能高速公路管理系統(tǒng)、動態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)、高速公路超限監(jiān)測預選、橋梁超載報警、遂道保護和自動電子收費系統(tǒng)中得到廣泛應用。壓電薄膜軸傳感器和壓電石英稱重傳感器，其動態(tài)響應速度之快，測量與監(jiān)控參數(shù)之多，安裝、調試、使用之方便，是以傳統(tǒng)的電阻應變式稱重傳感器為基礎的各種動態(tài)稱重系統(tǒng)無法比擬的。

　　在最近五年里，壓電傳感器在性能方面顯著地提高，而價格卻不斷降低。以安裝價格來說，它只比感應線圈稍高一些，卻比感應線圈多提供許多有效信息，諸如改善了的速度信息，車輛分類等。另外增加了行駛中稱重能力以確定和監(jiān)控車輛的重量。它與感應線圈相結合，將使交通信息的采集更精確更全面。顯然，壓電傳感器作為一種技術，應該考慮將其廣泛應用于智能運輸系統(tǒng)(ITS)中。

　　轉載請注明來源：賽斯維傳感器網(wǎng)（tcmtest.cn）