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(nèi)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)換為電能，也可以把電能轉(zhuǎn)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(zhì)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(shù)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(jié)構(gòu)。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(jié)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(shù)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(zhì)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(jié)構(gòu)，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�。喊惭b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(nèi)，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(nèi)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?qū)⑤S傳感器埋在路面內(nèi)，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(guān)。尤其是道路質(zhì)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(guān)鍵。制訂標準的基礎(chǔ)是各參數(shù)的檢測手段，應將壓電薄膜軸傳感器技術(shù)與視頻技術(shù)及網(wǎng)絡技術(shù)結(jié)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(shù)。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(shù)、視頻技術(shù)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(jié)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(diào)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(chǔ)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(jié)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(shù)，應該考慮將其廣泛應用于智能運輸系統(tǒng)(ITS)中。

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