摘 　要： 介绍了压电传感器的分类和测量原理，综述了国内外压电传感技术在航空航天、土木、机械、交通、医学等领域健康监测方面的主要应用实例。介绍了基于压电传感测试技术的桥梁振动监测研究，最后讨论了压电传感器在进一步实用化过程中面临的困难和需要解决的问题，并对其应用前景做了展望。
　　关键词： 压电传感技术； 监测； 应用

　　自1880年两位法国科学家J. Curie 和P. Curie 在研究石英晶体时发现材料的压电现象以后，在材料学界便引发了一场压电材料研究热。经过一百多年的发展，压电材料的种类已经由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器，与其他传感器相比，压电传感器具有独特的优点：工作频率范围宽（可从几十赫兹到几百兆赫）、动态范围大、频响时间快、灵敏度高、温度稳定性好(-20℃～+150℃)、质量轻、结构简单，既可以粘贴在结构表面还可以通过一定的工艺措施耦合到结构之中。正是由于这么多的优点，近年来，压电传感器在航空航天、土木、机械、交通等领域的健康监测，以及能源化工、医学等领域得到了广泛的应用。
1 压电传感器的分类及特点
1.1 压电换能型传感器
　　这是机电变换的自发电型有源传感器，工作基础是正压电效应。压电敏感元件在外界机械应力（变）的作用下，表面产生束缚电荷，根据产生的电荷量或电压值来确定机械量的大小。此类传感器灵敏度高、频带宽、信噪比大、动态性能好、体积小、工作可靠。但因产生的电量小，电荷存在一定的泄漏，不太适合于静态测量，而适于动态力的测量。该类传感器主要用于(压)力^[1]、加速度^[2]、应变^[3]等的测量。
1.2  压电谐振型传感器
　　这类传感器的工作基础是压电材料的逆压电效应，压电体在交变电场激励下产生机械振动而形成一个压电振子。压电振子最重要的特性参数是谐振频率和复值阻抗。当作用于压电振子的外界参量(如力、温度、压电振子所处介质的特性等)改变时，上述特性参数也将发生改变。根据输出信号的形式分为频率型、幅值型和相位型三种。若按传感器测量转换过程中的基本效应机理，可分为以下几类。
1.2.1 应变敏感型压电谐振传感器
　　被测量直接或间接地引起压电元件的机械形变，通过压电谐振器的谐振频率与应变的函数关系来检测外界参数。主要用于检测力、压力、加速度(包括线加速度和振动加速度)等。若利用谐振频率与压电振子热应力的关系，还可做成红外辐射检测器。
1.2.2 热敏型压电谐振传感器
　　当压电振子的温度被外界参数直接或间接改变时，其谐振频率也将改变。这类传感器包括两类：一类是温度频率测量传感器，即压电谐振式温度计；另一类是热量测量传感器，由热敏谐振器和辅助电加热器组合而成。热量测量传感器的工作方式分两种：一种是被测参数转换成辅助加热器耗散功率的变化，典型应用是热电功率计，也可做成电压、电流等电学量的测量传感器；第二种是被测参数转换成辅助加热器和谐振器之间介质的散热系数的改变，由此可做成真空计、气体分析仪、流速传感器等。
1.2.3  质量敏感型压电谐振传感器
　　压电元件的质量是压电振子谐振频率的决定性因素之一，将被测量转换为压电元件的质量变化，就制成了质量敏感型压电谐振传感器。可分为选择型变换器和非选择型变换器两类。前者可用于检测湿度或气体成分，还可做成智能机器人中的嗅觉、味觉传感器。后者则可用于检测镀膜厚度等。
　　此类传感器具有灵敏度高、通用性强、测量结果与重力值及空间位置无关、尺寸小、成本低、耐冲击和抗化学及放射性辐射的能力强、能用于真空中的测量等众多优点，因此得到了广泛的应用。
1.2.4  声敏型压电谐振传感器
　　该传感器也称为阻抗敏感型传感器，它利用被测参数去调制压电谐振器的超声辐射条件，即改变谐振器周围介质的声复阻抗，从谐振器频率、品质因素等参数的改变来反映被测参数。给谐振器施加声负载的介质可以是气体、液体和固体。介质的密度、分子量、压力、粘度以及谐振器与介质之间的接触面积都将影响谐振器的超声辐射条件，因此可以做成密度、力(压力)、粘度、湿度、小位移、露点温度等传感器。
1.2.5 回转敏感型压电谐振传感器
　　当压电振子以谐振频率振动同时又旋转（角速度矢量与质点振动位移矢量垂直）时，振子中就会出现符号交替变化的与角速度矢量和质点振动位移矢量都垂直的科里奥利(corioli)力，该力通过压电效应转换为交变电压，而交变电压的幅值和相位就反映了旋转角速度的大小和方向。该类传感器目前主要应用是制作压电振动陀螺仪，用于检测飞行器的角加速度、角速度、角位移等姿态信息，是空间技术中很重要的惯性制导器件。
1.3  压电声表面波（SAW）传感器
　　压电SAW的能量集中在压电基片表面，很容易在传播路径上提取和存入外界信息（如温度、压力、电磁场等）并对SAW的传播特性（包括波长、波速、波传播长度）造成影响，SAW传感器就是利用这些影响和外界信息的函数关系来测量各种化学、物理的被测参数。
　　SAW传感器的核心是SAW 敏感器件，按工作模式分为延迟线型和谐振器型两类。对于前者，外界参数调制压电基片的传播特性，从而改变SAW发射与接收之间的延迟时间。而后者是换能器和反射栅共同组成的一个谐振腔，当压电基片上的SAW受到外界参数调制时，其谐振频率将发生改变。
　　压电SAW 传感器具有许多独特优点：⑴高精度、高灵敏度、高分辨率；⑵频率输出，易于与微处理器接口；⑶采用半导体平面工艺制作，极易集成化、一体化，实现单片多功能化、智能化比较方便，结构牢固，质量稳定，也便于大规模生产；⑷ 体积小、重量轻、功耗低；⑸因其利用的是压电基片表面的弹性波而不涉及电子迁移过程，故该类传感器抗辐射能力强，动态范围大；⑹无线无源型SAW传感器能对旋转、移动部件以及高温、强辐射、混凝土下等特殊环境进行检测。
1.4 压电超声波传感器
　　压电超声波传感器利用逆压电效应来激发超声波，并用正压电效应将带有被测量信息的超声回波转换为电信号，根据超声波特性进行各种检测。与压电SAW传感器相比，压电SAW波传感器的表面波的传播只局限于压电基片表面，并且其敏感机理是被测量作用于压电基片而影响SAW的传播；而压电超声波传感器中的超声波则要进入被测介质，被测量不与压电材料作用而直接与超声波作用，故将二者分为两类。检测原理又可分为脉冲反射法、穿透法和共振法三种。目前压电超声传感器广泛用于厚度、物位、密度、粘度、温度、流速、弹性模量、液体中悬浮颗粒大小和多少等参数的测量以及无损探伤、医疗诊断等。
2 压电传感技术的应用研究现状
2.1 压电智能结构
　　自上世纪80年代美国政府首先提出开展智能结构的研究之后，世界其他发达国家和地区，如日本、英国、德国、韩国、中国台湾、中国香港等，都相继开展这方面的研究。在智能结构中，研究较多的传感器材料是压电材料。利用压电材料的正、逆压电效应，可分别集成压电传感器及压电致动器, 使结构的自感知和自控制成为可能。各国学者在对压电智能结构进行基础性研究的同时，也对其应用进行了广泛的探索。主要集中在以下几个方面。
2.1.1 减振降躁
　　压电智能结构在振动控制中的应用研究开展得最早，研究成果也较丰富，主要集中于大型航天柔性结构的振动控制^[4]。研究对象以梁、板等具有规则形状的元件为主，控制系统的设计通常有三种方法, 即主动控制、被动控制及主被动混合控制。被动控制系统结构简单、容易实现、成本低，但缺少控制上的灵活性，对突发性环境变化应变能力差；与被动控制相比，主动控制以现代控制理论为主要工具，具有较大的灵活性，对环境的适应能力强，是当前振动工程中的一个研究热点；被动控制与主动控制相结合形成混合控制策略是当前振动工程的一个新兴方向。
　　压电智能结构的另一个重要应用方向是噪声主动控制^[5]。主要用于潜艇、飞行器以及车辆等三维封闭空间内部噪声的控制。与壁板振动主动控制不同之处在于，振动控制是控制板的模态，而噪声控制则主要是控制产生声强的部分。
2.1.2  结构静变形控制
　　通过控制压电智能结构的变形可以调整结构的几何形状，维护结构准确的外形和位置， 这在空间站及其他空间飞行器及柔性机械的控制中具有重要的应用价值。如在空间飞行器中，可通过控制精确结构的变形，以保证空间天线反射器、望远镜等精密仪器正常工作；在机器人中，通过压电元件控制柔性机械臂运动，可提高机械手的运动精度^[6]。
2.1.3 结构损伤监测
　　应用压电传感元件进行结构损伤监测主要有两种方式，其一是用压电传感器来精确感知结构力学性质的变化，并通过进一步地计算和分析，对结构的损伤进行预测^[7]；另一种则是通过分析结构中传播的振动波来进行损伤预测^[8]。这两种方式可以为结构的安全评定与损伤定位提供可靠信息，从而为土木工程结构长期、实时健康检测提供了新的方法。
2.2  加工工艺监测
　　压电式力、应力、振动及声发射传感器因其具有独特的优点，成为现代化自动控制制造业中状态监测的理想选择[9]。(1)对于磨削、钻孔和攻丝，采用最新的遥测技术设计成功一种新颖的石英多分量力及力矩的传感器，这种新型的旋转切削测力计可以直接安装在轴和刀具之间，直接测量旋转刀具的切削力，对分析计划生产过程和确定用于实际生产中选择最佳切削参数都具有重要的意义；(2)在金属加工过程中会产生声发射现象，其中含有丰富的信息，其最重要的价值是对零件所产生的缺陷及初始故障能给出可靠的指示。一种创新的双用传感器将声发射传感器与三分量测力传感器合二为一，将这种双用传感器安装在车床夹具的适当位置，就可以连续监测切削力、进刀力和被动力的大小以及相关的声发射信号。
2.3 太空空间探测
　　PVDF压电薄膜因为其坚固耐用、不需要偏置电压、容易制造大面积传感器、高计数率和固有的高可靠性等一系列优点，能够胜任太空的恶劣环境，所以它在空间微小碎片和宇宙尘的探测方面得到了广泛应用。主要是PVDF压电传感器和PVDF共聚物传感器。芝加哥大学研制的DUCMA(Dust Counter and Mass Analyzer)是这种探测器的第一次空间应用^[10]，它在1986年搭载在VEGA-1和VEGA-2两颗卫星上探测哈雷彗星。探测目标是彗尾的微质量物质组成，为人类了解彗星结构和彗尾组成起到了很好的促进作用；上世纪90年代，安装在美国ARGOS(Advanced Research and Global Observation Satellite)卫星上的SPADUS(space dust)仪器^[11]，可用来探测近地空间的空间碎片质量/速度/轨迹。比较著名的还有HRD探测器^[12]，它曾搭载在卡西尼宇宙飞船上于1997年发射太空进行土星探测，了解太阳系内的宇宙尘分布进而对太阳系的形成进行探索。我国的中科院空间中心和哈工大等单位也正在开发具有自主知识产权的空间碎片探测器，相信在不久的将来就会有我国自行研制的PVDF压电探测器工作在太空中。
2.4 车辆行驶称重
　　压电传感技术与网络技术和视频技术相结合可以实现对车轴数、车速、轴距、行驶中车辆载重量的信息进行收集并加以分析，从而在智能交通系统中发挥重大作用^[13]。如美国MSI公司研究开发的共聚物压电轴传感器，可获取精确的速度信号、触发信号和分类信息及长期反馈交通信息统计数据。巴西、德国、日本和韩国在压电检测的车辆行驶中称重功能方面也有大量的应用。
2.5  压电传感电缆
　　人们最近开发出一种压电层较厚的同轴电缆形式的PVF2压电材料——PVF2压电电缆^[14]。这种压电电缆用连续工艺生产，长度可达几千米，直径为1.5mm。它能把声音、振动、冲击、压力、应力和应变转换为电信号，使用方法非常灵活，它克服了压电薄膜及压电陶瓷的缺点和使用的局限性，展现出很大的应用前景。它的主要应用领域是：水声学、冲击传感、振动传感、入侵报警和安全防卫、交通流量统计、应变应力测量、工业控制与检测等。
2.6 航空和航海
　　由Sigma 研究公司研制而成的“便携式自动远程检查系统”，简称PARIS^[15]，专门为对大面积层状结构或复合结构进行原位检查而设计。其关键元件是一个200mm×200mm的可变形PVDF压电薄膜，其中含有1024 个换能器。这种膜的柔韧性很好，能够与曲率半径为4的弯曲表面完全贴合。与它相连的装置还有一个手提控制器、数据采样器和显示装置等。这种接收器的总信噪比达100dB，中心频率为2.5MHz。飞机上的石墨—环氧树脂复合物或舰艇上的大型结构都可以用它来进行很方便的测试。而对于铝和钢的测试，这方面早已获得了令人满意的结果。
2.7 防污
　　目前美国国家研究所和法国蒙特利奇大学对压电薄膜防污进行了研究^[16]。压电薄膜已被证实对测量壳体聚合物的振动比较有效，因此可以用它来防止绝大部分会导致船艇污染的海洋生物的靠近。另外，荷兰的Delft 科学研究所正将已得到的结论推广到较大的金属结构上，如商船或舰艇的壳体。同时，相同的原理正在被研究如何用于生产飞机上的防冻表面。
2.8 医学
　　目前人们正在积极研究PVDF 在医学上的应用^[17]。 在许多国家，每年都有很多婴儿死于SIDS或其他综合症。为了降低婴儿的猝死率，在荷兰、德国、美国至少有三家公司正在生产一种呼吸监控器。这种监控器是将一个装有PVDF压电薄膜的垫子放于婴儿身体下面，对由呼吸、心跳引起的轻微振动进行连续的监控(特别是在晚上)，当呼吸或心跳的时间间隔超过预先设置的时间长度(如20s)时，它便会触发警报器，这样就能及时有效地防止婴儿窒息死亡。
3 工程实践应用
　　国内外文献表明，压电传感技术目前主要用于柔性结构的高频振动控制。基于压电传感测试的许多优点，笔者正在进行基于压电传感的土木工程桥梁低频振动监测方法研究，采用PVDF压电薄膜作为传感元件，通过测量动态应变间接测量桥梁振动的特征参数，从而监测桥梁上的交通状况。目前已进行了前期的理论验证和实验室仿真，针对工程领域中的低频振动测量，选取激振频率从0.1Hz变化到40Hz，测试了不同激振频率下压电应变传感器的动态响应。在0.1Hz、0.5Hz、5Hz、10Hz、20Hz和40Hz激振频率作用下，压电应变传感器的输出电压与应变之间的曲线如图1所示。压电传感元件在不同激振频率下电压灵敏度如表1所示。实验研究结果表明，压电传感器在低频范围(0.1Hz~40Hz)内呈现出很好的动态特性，而且被测应变与压电传感器的输出电压呈线性关系，与理论研究相吻合，适合土木工程中桥梁低频振动测量的要求，为实际工程应用奠定了理论基础。