压电薄膜传感器中文技术手册

仅供个人参考 不得用于商业用途 压电薄膜传感器 仅供个人参考 不得用于商业用途 技术手册 目录表仅供个人参考 不得用于商业用途 第一部分 引言 背景 压电薄膜特性 典型压电薄膜元件工作特性 第二部分 第三部分 引线装接技术 频率响应 压电薄膜低频响应 第四部分 第五部分 第六部分 第七部分 第八部分 温度效应 压电膜电缆及其特性 压电基础 热电基础 基本电路概念 电缆 第九部分 制造 开关 冲击传感器 体育运动记分传感器 乐器 交通传感器 第十部分 振动传感 音乐拾音 机器监控 轴承磨损传感器 风扇叶片气流传感器 断纱传感器 自动售货机用传感器 第十一部分 第十二部分 加速度计 超声应用 医用成像 NDT无损探伤） 液位传感器 第十三部分 声频 扬声器 话筒 第十四部分 第十五部分 声纳 将来的应用 有源振动阻尼 硅基传感器 灵敏表皮 第十六部分 第十七部分 第十八部分 引言 压电薄膜的应用 压电薄膜论文索引 超声油墨位面感测的讨论 仅供个人参考 传感器材料是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量，并被广泛地应用在传感 探测方面。微处理器应用的巨大增长推动了传感器在多种应用方面的需求。今天，在 180亿美元的全球传感器市场中压电聚合物传感器跻身在最快速发展的技术行列之中。 像任何其他新技术一样，在很多应用中， “压电薄膜”已被考虑用作传感器的解决方案。 自从压电膜聚合体被发现以来的20年中，这项技术已日趋成熟，实际应用层出不穷， 技术的商业化进程正在加速。 本手册对压电聚合体技术、术语、特性以及传感器设计思考等提供了综述，同时还 探索了近年来业已成功开发出来的诸多传感器的应用项目。 解决独特的传感方面问题是我们的应用工程师们特有的实力。 我们很高兴有机会在 您的设计中考虑压电膜传感器的应用时为您提供帮助。 “压电”，希腊语叫做“压力”电，是在100多年前由Gurie兄弟所发现的。他们 发现，石英在电场的作用下会改变其外形尺寸， 而相反，当受到机械变形时，则产生出 电荷来。这项技术的首次实际应用是由另一位法国人 Langevin在1920年实现的，他研 究出了一种用于水下声音的晶体发射器和接收器 ，即：第一部“声纳”。二次世界大战前， 研究人员发现，有些陶瓷材料在高极化电压的作用下会产生压电特性， 这一过程类似于 铁性材料的磁化。 到60年代，研究人员就已发现，鲸鱼的骨和腱内部存在着微弱的压电效应。于是 开始了对其他有可能具有压电效应的有机材料的认真探索。 1969年，Kawai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。其他材料，如尼龙和 PVC 也都表现出压电效应，但没有一种能像 PVDF及其共聚物一样呈现那么高的压电效应。 和其他铁电材料一样，PVDF 也具有很高的热电特性，在响应 温度的变化时，可以产生电荷。 PVD!对720卩m波长的红外能具 有很强的吸收性（见图1），覆盖 了人体热的相同波长频谱。因 此, PVDF可以制成很有用途的人 体运动传感器以及热电传感器 用于更为复杂的其他应用如夜 视光导摄像管摄像机和激光束 成像传感器。压电薄膜采用合适 的菲涅尔透镜可 以探测到50英尺以外的人体运动 最近两年才研制出的PVDF新的共聚物，又进一步扩展了压电聚合物传感器的应用 这种共聚物可以在更高的温度下（135C）使用，同时还能提供所期望的新形状：园柱 形和半球形等。 厚度极限也达到了利用 不得用于商业用途图1. PVDF 薄膜的典型红外吸收频谱 波长（卩 m） TKrvdm 曲 1血 1 乂 S 6 ? 8 ； n 12 6 2? 无法达到.的程度。这些成就包括超薄 4 6 : a 0 12 11恥协弟曲 仅供个人参考 不得用于商业用途 （200A）离心浇成的覆层，从而开拓出新型硅基传感器应用和壁厚超过 1200卩m的声纳用 圆柱体传感器的可能性。 压电薄膜特性 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。作为一种 传感器，它的主要特性参数如下： + 宽频带 0.001 Hz10 9HZ -8 6 + 宽动态范围（10 10 Psi或卩torrMbar ） 律 低的声阻抗 与水、人体组织和粘胶体系接近 +高弹性柔顺性 +高电压输出 对同样受力条件，比压电陶瓷高10倍 +高介电强度一可耐受强电场作用（75V/卩m大部分压电陶瓷退极化 + 高机械强度和抗冲击（109 010Pascal模数） 療 高稳定性 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 律 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（Zc=pu）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。 但压电膜的确有某些应用上的限制，与压电陶瓷相比，电 机发送器就相对弱些， 尤其是在谐振和低频应用上。共聚体薄膜的最高使用 /储存温度可高达135C。而且， 若把膜上的电极外露，它对电磁辐射也敏感。有良好的屏蔽技术用于电磁干扰和射频干 扰的环境 表1列出了压电膜的典型特性参数。表 2对PVDF聚合体的压电特性和常用的二种 压电陶瓷材料的特性进行了比较。 压电膜的光学传输特性请参照图1,在720卩m波长上对红外能量有很强的吸收性， 从而使其成为侵入检测和能量管理器件的理想选择。 PVDF薄膜通常很薄、柔软、密度低、灵敏度极好，且机械韧性也好，压电膜的柔顺 性比压电陶瓷高出10倍，当压电聚合物被挤成薄膜时，可以直接贴附在机件表面而不 会影响机件的机械运动。压电膜非常适用于需要大带宽和高灵敏度的应变传感应用。 作 为一种执行器件，聚合物低的声阻抗，使其可以有效地用来向空气和其他气体中传送能 量。 表1,压电薄膜典型特性参数 表示付号 参数 PVDF 共聚体 单 位 仅供个人参考 不得用于商业用途 T 厚度 9,28,52,110 各种 um(micron, 10 -6) d3i 压电应变常数 23 11 d33 -33 -38 g31 压电应力常数 216 16 g33 -330 -542 k3i 电一机耦合常数 12% 20 Kt 14% 25-29% C 电容 380 (28 卩 m) 68 (100 卩 m PF/cm21kHz Y Young 模量 2-4 3-5 9 2 10 N/m V0 声速 拉伸 厚度 1.5 2.3 3 10 m/s 2.2 2.4 P 热电系数 30 40 10-6C/nf K E 介电常数 106-113 65-75 10-12F/m / 0 相对介电常数 12-13 7-8 P m 质量密度 1.78 1.82 3 10 kg/m P e 体电阻率 13 10 14 10 电阻计 R 表面金属化电阻 率 2.0 2.0 Q / 平方(CuNi) R 0.1 0.1 Q /平方（Ag 油墨） tan 损耗角正切 0.02 0.015 1kHz 屈服强度 45-55 20.30 106N/M (拉伸轴) 温度范围 -40 至 80 -40 至 115 145 C 吸水性 0.02 1）输入波形 2）输入频谱 图20. R-C滤波器对谐波串输入波形的影响 表示了一个谐波串，数个离散谱线全在 截止频率以下。每一个的衰减程度并不相同，所以，输出信号中的谐波“平衡”就是交 变的。 5）输出波形 仅供个人参考 不得用于商业用途 4）输出频谱 仅供个人参考 】0 1）输入波形 2）输入频谱 1 il VJJ - 1 1 一 、 .HUJ Lst 冷 3）滤波器特性 不得用于商业用途 f 衬拥阳 e 胪儿田怜肛帥! J j . I L 图21.R-C滤波器对慢半正弦波瞬态输入波形的影响 （很多机械冲击信号的特徵），尽管高频成分大部分没变，但其输出波形却严重失真, 明显表示出正、负二种偏移，而输入波形却是单极性的。 5）输出波形 表示了一个慢半正弦输入脉冲 伽 仅供个人参考 不得用于商业用途 仅供个人参考 】0 5）输出波形 图22. R-C滤波器对慢锯齿波瞬态输入波形的影响 表示了一个锯齿波，有一个慢 的“上升前沿”和一个突然跌落于零的后沿。很多压电膜开关被用来 检测这种机械过程。从输出波形上看，“前沿”几乎不存在了，但“跌 落”的后沿几乎保持原幅度，注意输出脉冲极性与输入波形相对极性。 1）输入波形 2）输入频谱 4）输出频谱 、皿 liii min 仅供个人参考 不得用于商业用途 3）滤波器特性 4）输出频谱 5）输出波形 UH 温度效应 压电膜的诸多特性都 是随激励频率和温度而变 图 23, 化的。 这种特性随频率或 温度的变化是可逆的和可 重复的 此外，从图23可以看 到在70C退火后，长时间 曝露在升高的温度下时， PVD压电应变常数d33的永 久性衰变。 PVDF d 33常数的热稳定性 200dB，即 也可线性感应重型卡车的震动。电缆可承压 表4列出了电缆标准特性。 表4, Kynar -压电电缆标准特性 26. Pieuo! cmble congti-Lictioti OCCIPSI AM 列 ID BHEL口 iPdLWltTMrLEME CxJl feir 缆标准特性：压电电缆在冲击负荷增加时 的输出灵敏度表示在图27a，图27b所示 为应力增加时的输出线性，这是所有规格 压电电缆的标准情况。 参数 单 位 数值 For pers onal use PF/m 600 only in study and research; not for commercial use 电容 应变强度 MPa 60 You ng 模数 GPa 2.3 密度 Kg/m3 1890 声阻抗 MRay1 4.0 相对介电常数 1kHz 9 tan S e 1kHz 0.017 静水压力、压电系数 pC/N 15 纵向压电系数 Vm/N 3 250 X 10- 静水压力压电系数 Vm/N 150 X 10-3 机电耦合 % 20 能量输出 mJ/Strai n(% 10 电压输出 ) kV/Strai n(% ) 5 图27a.灵敏度与负载的关系 不得用于商业用途 仅供个人参考 压电基础 机电变换 像海绵可以挤出水一样， 当压电材料受压时产生电荷， 其信号幅度和频率直接与压 电材料的机械变形成正比。 变形使材料表面电荷密度发生变化， 于是就在加了电极的表 面之间产生出电压。 当所加的力反向时， 输出电压的极性也同时反相。 一个往复力会得 到交变的输出电压。 压电薄膜， 也像所有的压电材料一样， 是一种动态材料， 所产生的电荷与所加机械 应力的变化成正比。由于材料的内部阻抗，不适用于静态测量（纯直流） 。压电膜所产 生的电荷的衰减时间常数， 取决于膜本身的介电常数、 内阻，以及压电膜所接接口电路 的输入内阻。实际上，压电膜最低可测频率可达到 0.001Hz。有许多方法可实现纯直流 响应，但要求压电膜既用作执行器， 又作为传感器， 监控着直流过程所产生的执行结果 的变化。 对电荷或电压， 固有的压电常数预告了对小应力 （ 或应变 ） ，压电共聚物所能产生的 电荷密度（单位面积的电荷）或电压场（单位厚度的电压） 。 电荷模式 ： 在近于短路的情况下，所产生的电荷密度可用下式表示： D = Q/A = d3nXn (n = 1, 2 或 3) 所加应力（或应变）的机械轴（n），通常为: 1 = 长度（或拉伸）方向 2 = 宽度（或横向）方向 3 = 厚度方向 式中： D = 所产生的电荷密度 Q= 所产生的电荷 A = 导电极面积 D3n = 与所加应力或应变轴所对应的压电系数 n = 所加应力或应变轴 Xn = 相关方向上所加的应力 必须指出，d3n系数一般表示为每牛顿皮库仑（pC/N）,但由于受力面积（m2）往往 并不相同，而又不能 “相消”，所以较确切的表达式应该是 （pC/m2）/（N/m 2）。 电压模式 : 开路输出电压，可用下式表示:仅供个人参考 不得用于商业用途 Vo = g 3nXnt （n = 1,2 或3,与上述相同） 式中: g =与所加应力或应变轴相应的压电系数 Xn=相关方向上所加应力 t =压电膜厚度 压电常数: 应用最广泛的压电常数d3n和g3n，即电荷 和电压，分别具有二个下角标。前者指电轴， 后者指机械轴。由于压电膜很薄，所以电极只 能在上、下表面。由于电荷或者电压总是通过 膜的厚度（n=3）来传输，因此，电轴便总是3” 如图28所示，机械应力可以加在任何轴向， 所以，机械轴可以是1、2,或3。 通常，将压电膜的机械轴向1用于低频传感和驱动（vlOOkHZ，而机械轴向3则用 于高频超声传感和驱动（1OOKHZ。 方向特性: 压电材料是各向异性的，也就是电和机械响应不同并取决于所加电场轴向或所加应 力或应变轴向。在有关压电效应的计算中，必须要考虑到这种方向特性。 例一： 在一长2.54cm,宽2.54cm和厚度为110pm的压电薄膜开关上， 施加一个1.45磅/ 平方英寸（10,000N/m?的负荷。该开关元件背后有刚性支撑。故力是作用在厚度方向上 （即: g33模式）。本例中，负荷是作用在压电薄膜的长成宽的面积上。厚度方向所产生 的开路电压为： 式中： V/m =压电膜厚度每米的电压输出 N/m2=膜相关面积上施加的应力，由磅/英寸2变换为N/m约为7,000 Vr = -（ -339x1（-! （-107Q0ON/in2）（lWxl0Ai；i N/iir； V = -0373 volts 例二： 不得用于商业用途 与例一中相同的压电膜开关元件，但所受的力为（ 10,000N/m2X）.0254m2=6.45牛 顿），而结构形式为柔性支撑的膜。力是作用在厚度横截面上（wt）。压电膜在负荷作用 下被拉伸，图28.轴向数码分类 仅供个人参考 故其为g31模式。 L 山二八25壮“勺打 V = volts ILI 由于力加在小得多的横截面上，因而导致输出电压的急剧增大。小面积产生较高应 力。 动态范围 压电膜有很大的动态范围，它已被用来感测空间一个质量为 10 -12克的高速物体的 冲击；而在其他极端条件下，它也可以测量在武器试验过程中所产生的 300,000大气压 力的冲击波。最近进行的一项研究得出了一个面积为 155.5mmxi8.5mm厚度为52pm 的厚膜的最大输出能量。该膜受力约为 350MPa（在拉伸方向，或者n=1”方向上）而未 失效。所产生的电荷线性很好，下面是最大应力条件下的测量结果： 最大测得电荷： 20 Q 即 6.95 mC/m2 最大测得电压： 1600 V，即 30.8 X106 V/m 最大变换能量： 30.9 mJ，即 207 kJ/m 3 稍后的试验表明压电膜器件可以长时间承受上述能量的 10%左右，而不会出现可测 得的损坏。 电机变换 当一片压电薄膜受到电压的作用时，由于内部偶极子在所加电场下的吸引或排斥, 而使膜的尺寸发生变化。加一电压极性，压电膜就变薄、变长和变宽。而加相反极性, 则使压电膜的长度和宽度收缩并变厚，加交流电压就使压电膜 振动”。 变形的大小可根据压电d常数来计算: 对长度变化：刈=I d 3iV/t 式中: 4 =每米膜长变化 l = 膜原长度（米） d31=长度方向压电常数（n = 1 ”方向）（m/V） V =厚度方向（t ）所加电压仅供个人参考 不得用于商业用途 对宽度变化：Aw = w d32 V/t 式中： d32=宽度方向压电常数（n = 2方向） 对厚度变化：At = t d 33 V/t = d33 V 式中： d33=厚度方向压电常数（n = 3方向） 例三： 一块长（I ） 3cm宽（w 2cm厚度（t） 9阿的压电薄膜，按3 （厚度）方向加V =200 v的电压。这个电输入产生的应变 S等于d乘以所加电场。 在长度方向上: AL DI- k.3 pm 在厚度方向上: 执行器 双压电薄膜片 与双金属片相似，二片极性相反的压电薄膜粘在一起，就构成了一个弯曲的元件， 或”双压电薄膜片”（图29）。在这种双压电膜片上加上电压之后，使其中一片加长，而 不得用于商业用途一般来说，压电薄膜执行器的设计，主要取决于应用的各种要求，诸如运行速度、 位移量、产生的力以及可提供的电源等。 述应用要求，这些设计方案包括： 为客户订做的单面或双面电极图形； 多层叠层结构或双压电膜片； *折叠或卷筒式多层结构； 挤出成型压电管和压电电缆； *在各种基片上浇注压电共聚体； *模塑三维结构。 上述各种设计方案均各有其优缺点， 例如，卷筒式多层执行器可以产生比较高 的力，但却要牺牲一定的位移量。 压电膜技术可以提供不同的设计方案来实现上 图29.双压电薄膜片 23xW WRfll I N 随层数的增加而成比例地增大。 双压电膜片的电连接方面，有二种基本的方法如图 30 所示，即串联和并联。为获得相同的位移量，并联时 所需电压要低于串联时。但另一方面，串联时所需的 电流要小于并联时。这二种接线方法对执行器来说总 的电功率是相同的。不过，很显然，对加工来说，串 图30.双压电膜片的引线连 接法 不得用于商业用途 仅供个人参考 另一片缩短，这样就形成了弯曲。 加相反极性的电压时，它就向相反方向弯曲。这种结 构形式将微小的长度变化变为很大的端部弯曲， 但所产生的力小。若采用加厚的压电膜 和多层结构，可增加这种双压电薄膜片所产生的力，但要牺牲一定的位移量。 端部弯曲量和所产生的力，按下式计算: Ax = 3/4d 3i (1 2t 2 2)V 米 F = 3/2Ywdi(t/l)V 牛顿 式中: Ax =直流时的位移量 F =产生的力 d3i =在1”方向上的压电常数 l, t, w =压电膜的长度、厚度和宽度 V =所加电压(伏) 丫 =压电膜的You ng氏模量(2X109N/m?) 当加交流电压时，双压电膜片就成了类似昆虫翅膀那样的扇子。 尽管双压电膜片的 确显示了直流响应，但只在谐振时才获得最大的端部弯曲， 这是由其长度和厚度来决定 的。 例四： 在由两条9pmPVD压电膜构成的2cm悬臂双压电膜片的二端加100V电压，其端部 的位移量Ax等于： 如上式所示，较长的双压电膜片可以获得较大的位移量， 而较宽的双膜片则可获得 较大的力。在谐振频率和直流时的位移量由代表机械增益的 Q值决定，双压电膜片的典 型Q值为2025。 例如，在一长5mm厚70pm的双压电膜片上加120v的直流电压，所产生的位移量 为57 pm但是,同样的双压电膜片，在580Hz的谐振频率上，却可以获得1.4mm的位移 量。对于需要较大力的应用场合，如冷却风扇等, 可以考虑采用多层结构。所产生的力 us - 3/4； :in， MOJUU wuFn lajNSi 不得用于商业用途 仅供个人参考 联要比并联简单得多。这种双压电膜片的弯曲器件, 主要应用于风扇、玩具和装饰物等。 盘卷式执行器 将图31中所示的柱形盘卷式双压电膜片所产生的力和 位移量表达如下： x = d “El 米 E = V/t V/m F = Yd 31EA 牛顿 （1 / 式中： x =直流时的位移量（米） F =所产生的力（牛顿） f =谐振频率 l, t = 压电膜片的长度和厚度（米） Me =外加负载的质量（kg） Mp =压电执行器的质量（kg） A =横截面积（m） Y = You ng 氏模量（N/m2 E 二电场（V/m2） 如上式所示，一个盘卷式的压电膜执行器, 着横截面积的增加，可以产生出更大的力和与 更高的谐振频率响应。加长执行器，则产生更 大的位移量，但降低了响应速度。应当指出， 当Me=0时，若将长度l调节到满足谐振条件, 则执行器输出可达到最大。例如，一个直径为 12mm长度为25mn!勺盘卷式压电膜执行器， 在32KHz的频率上将达到最大输出。 折叠式执行器 另一种提高速度和增加力的设计方案就是 图32所示的长条压电薄膜折叠式执行器。这种 方案有效地增大了压电膜片的并联叠层。 中心孔用于在底座上固定执行器。可将盘卷式 执行器的设计公式用于此类执行器的计算。只是将式中的 d31改成d33（33 X10-12C/m即 可。下面是一个折随图32.折叠式压电膜执行器 图31.盘卷式双压电膜片 不得用于商业用途 叠式压电膜执行器实例的技术规范： 位移量：1 （jm / 1mm长 产生的力：15kg / 10mm直径不得用于商业用途 仅供个人参考 频率：dc-100 kHz 驱动电压：800V 与机械式或者压电陶瓷执行器相比较， 多层压电膜执行器，因其Q值低，所以较少 存在减幅振荡问题。多层执行器一般应用于工业设备的微动台、 声波发生器和喷墨打印 机等。 超声执行器 超声执行器，如下所述，不适用于甚高频（ 1MHZ的发射器应用。在甚高频方面 的应用，主要为医用超声成像及无损探伤，使用的是厚度模式 d33。本节所讨论的是低 频（20100kHZ应用，压电膜工作在长度变化模 d3i式。 压电膜在低频超声方面应用的优点 图33.压电膜超声振子 在于这种材料的柔性。它可以很容易地 卷曲成为园形振子（见图33）。波束图 形取决于半园单元的数目和直径。工作 频率则由半园单元的直径决定。应当指 出，图33（a）和图33（b）之间的区别在于 有效单元的数目和直径的不同。要想展 宽波束的覆盖面，就应减少有效单元的 数目。一个园柱形的振子，可以获得 360 的波束图形。 在超声应用方面，对于远距离测量， 则要求具有最少旁瓣的锐波束。但对于诸 如汽车尾部防撞探测等方面的应用而言 ，则需要达到180以上的宽波束。图33 所示为宽、窄二种波束的超声振子的设计外形。 压电膜在透过空气作超声波执行器应用方面， 统，空气流速（多普勒）探测，和物体内部通讯等。 液体探测，包括流量、液位传感器以及通讯等。 热电基础 压电聚合材料，如PVDF和其VF2/VF3共聚体，同时也是热电聚合材料。热电传感材 料通常都是具有随温度变化的偶极矩的介电材料。由于这种材料均吸收热能，它们也就 会膨胀或收缩，从而感应出二次压电信号来。当压电膜受热时，膜内的偶极子在热激励 下作随机运动。这就使膜内的平均极化减少，而在膜面上产生出电荷，其输出电流与温 度变化速率（？T）成正比，温度每上升（或减少）一度所产生的电荷数目，可以用热 电荷系数，p来表示。 面积为A,介电常数为，厚度为t的压电薄膜，所产生的电荷和电压，按下式计 仅供个人参考 Q = p?A V = pt?T/ & 例五： 一个膜厚度（t ）为9 pm介电常数（）为106X10-12C/Vm和热电系数（P）为 30X10 J3C/（m2oK）的压电膜热电探测器，因为受到红外辐射，而使温度（?t）上升了1 K （华氏），其输出电压的计算如下： （刃:U旷 J23 wlu 包括车辆倒车安全测距，人身安全系 类似的结构形式还可以应用于水下、 n 不得用于商业用途 压电薄膜的热电电压系数，大约比锆钛酸铅（PZT和钛酸钡（BaTiO3）高一个数 量级。表5比较了这几种材料的热电特性。 表5:热电材料比较表 Material TGS LjTaO BaTiO. PZT PbTiO_ PV L) F VF 卜 PC 350 200 4(10 42ft 230 30 50 30 45 141 200 J(.K7 8J) a .16 131 1.00 ,44 .67 .06 .06 . 225 6-16 56A 374 461 138 I3K PT L32 .50 .05 .03 JO 47 .71 .53 .16 .02 .CH J M .20 .31 In.)e1ecrric Charge Coefficient Dielectric Constant hat 8i8?pF/iu (a)(ir/sec l2 Thermal Diftusion Depth t(i, 1Hz In.ielectric Vol rage Coefficient (P、)P/E V/|pni*oK I igure of Merit (MJPo/|Cv -sL V tiling 压电薄膜的优点包括： -不吸潮（V 0.02% H2O吸水性） -低导热性 -低介电常数 -化学惰性 -大尺寸探测器 压电薄膜的热电响应也是压电传感器在低频应用时的噪声源。用于低频应力感应 时，可以有几种方便的方法 共模抑制”热电响应。例如： 在一个压电膜器件上采用二个相同形状尺寸的电极 ；一个电极与d3i同向，而另一个 电极则与d3i方向相垂直，两个电极响应热信号时产生的信号相同，但与 d3i同向的电极 面积所产生的却是垂直方向电极的10倍。减去这一信号后，就得到纯压电响应。 二个尺寸大小相同的压电膜器件，均为多层堆叠结构，一个膜为 d31取向，并与应 力面平行；另一个膜也为 d31取向，但与应力面相垂直。如上所述，信号是相减的，这 就将压电响应从热响应中分离出来。不得用于商业用途 仅供个人参考 还有其他共模抑制技术，可以由 MSI公司的应用工程师们去阐明。 在较高频率上应用时，压电薄膜器件温度变化速率低于要测的应力过程时， 采用频 率滤波器可以很方便地去除不需要的热信号。 基础电路原理 一个设计合理的接口电路在压电膜传感器的优化过程中将起着关键作用。 压电膜的 应用从玩具到军用传感器？接口电路和应用是密切相关的。在很多应用中，压电膜可以 直接与电子电路相连接，无须作特别的接口考虑。但对于要求具有接口电路的应用场合， 建议遵循以下三个步骤进行考虑： 1. 在所期望的动态范围内，考虑频率范围及信号 幅度要求 2. 选择适当的负载电阻以确保低端的工作频率并 使因负载效应造成的信号损失最小。 3. 如果信号电平很低，选用一个缓冲电路。如果需 要一个高值负载电阻（如22MQ或以上），应选- 个低漏损高阻抗的缓冲放大器。市面有售用于缓冲 电路的JFET或CMOS!算放大器。 简化的等效电路 接口电路设计的第一步，就是把压电膜的特性 理解为等效电路的一部分。图 34给出了压电薄膜的 一个简化等效电路。它由一个电压源与相串联的电 容组成，串联电容Cf表示压电薄膜的电容，它与膜 的介电常数和面积成正比，而与膜厚成反比。电压 源的幅度等于压电膜的开路电压，根据激励大小的 不同，其变化范围从几微伏到100多伏。等效电路 对大多数应用都适用，但对在高频时如做超声波振 子时意义不大。 图35给出了一个作为电荷发生器的等效电路， 该等效电路中给出了膜电容 Cf和内阻Rf。如前所 述，感应电荷Q是与所加的力成线性比例，电容 Cf 与膜的表面积成正比，而与膜厚成反比。当应用于 低频率的情况下时，内阻 Rf非常高，可以忽略不计 输出电压可以通过膜电容来求出，即： V = Q / Cf 输入电阻 接口电路最关键的部分就是输入电阻，输入电阻影响着低频测量能力及信号幅度。 这称之为负载效应”图36.有接口输入阻抗的 压薄膜等效电路 图34.压电薄膜的等效电 图35.压电薄膜的等效电 路 不得用于商业用途 仅供个人参考 压电薄膜电容可以被视为等效源阻抗。源阻抗将随着膜电容的减小及工作频率的降 低而增大,注意到这一点是重要的。这个源阻抗与输入电阻相结合，形成了一个分压器。 随着输入电阻与源阻抗之比的减小， 总的输出电压则减小。因此，为电子接口选择适合 的输入电阻，是将负载效应减至最小的关键。 时间常数 除了输入电阻之外，接口电路的输入电容，同样 对输出造成影响。图36给出了压电膜的等效电路， 输入电阻为Ri，输入电容为Ci。压电膜的典型时间 域响应见图37。加力后所产生的电荷，按 Ri（Cf+Ci） 所确定的时间常数衰减。 时间常数表示一个信号衰减至其原始幅度的 70.7% （3dB时所需的时间。时间常数越小，信 号衰减越快。由于这有限的时间常数，所以压电薄 膜仅适用于动态测量，而非静态测量（最小 0.001Hz） 如果要求一个长的时间常数，可以采用高输入电 阻和膜电容。但是，要知道高输入电阻也会产生较高 的噪声，需要采用屏蔽补偿。 频率响应 时间常数的 另一个重要方面就表现在等效电路 的频率响应上，该等效电路具有如图 38所示的RC 高通滤波器特性曲线。竖轴表示测得的输出信号与产 生的信号（压电膜的开路电压）之比。 0dB表示没有 信号损失，而截止频率（3dB以下）与时间常数成反 比，当一个压电膜传感器工作在该截止频率以下时， 其输出信号将大大下降。在低频测量时，输入电阻要 求要足够高，以使截止频率明显地低于所需要的工 作频率。从时间常数和负载效应来考虑就可实现这 个目标。 做为一个例子，图39给出了一个加有屏蔽的压电 膜传感器（SDT1型）的频率响应。例中，SDT与一个 有10M?负载电阻和一个FET的电路相接。压电膜的 电容为2.4nF，由于负载电阻为10M?，故其时间常 数为24毫秒，因此，其截止频率是 6.6Hz。 为了对比 ， 如果用100MP的电阻而不是10M?的负载电阻，截 止频率就减小到0.66Hz。这种传感器元件可以在该阻值 何应用中工作 当电路不能置于传感器附近时，推荐在传感器附近加一个缓冲电路。 该缓冲电路将 压电膜器件的高输出阻抗变为低输出阻抗，从而使电缆中的信号损失和噪声图39. SDT1频率响应 REC WIRE 图37.压电薄膜的时间响应 图38.压电薄膜的高通滤波 器特性曲线 /B - orr-or mncr SHttUU HLW 仅供个人参考 减小到最低限度。对于大尺寸（即高电容）的压电膜传感器，即使是小信号和长电缆，也 可能不需要缓冲电路。 当需要压电膜高输出阻抗时，一个低漏损高阻抗的缓冲电路是需要的。 例如，红外 移动传感器和加速度计应用中，就需要高达50G?的输入电阻，以获取很低的频率响应。 此时，缓冲电路的输入阻抗应比压电膜的输出电阻高得多， 以维持很低的频率响应。此 外，为达到最高的测量精度，将缓冲电路的泄漏电流降至最小也是重要的。 低泄漏缓冲 电路的例子包括： JFET4117（ Siliconix,Sprague ）;运算放大器 LMC660 LF353 （National 半导体），OP80（PMI）,和 2201（Texas 仪器仪表公司）。 图40所示为通用的单增益缓冲电路举例。 图40.压电薄膜传感器用单增 益缓冲电路 用作缓冲电路和放大器的运算放大器种类很 多。即可用于作电荷式方大器也可用于电压式的 放大器。图41给出了基本电荷和电压放大器的 配置图。电荷放大器的电压输出由 Q/Cf确定， 式中的Q为压电膜上所产生的电荷，Cf为电荷放 大器的反馈电容。 电荷放大器的输出电压由反馈电容确定，而 不是输入电容。这表明，电荷放大器的输出电压与电 主要优 点就体现在压电膜传感器和电子电路之间使用长电缆时。 此外，它还大大减小了由传感 器周围的寄生电容而造成的电荷泄露。另外，简单的电压放大器足以满足大部分的应用。 图41中的电路是一种典型的非变换式电压放大器。 电压放大器的优点在必须考虑环境温度时才体现出来。 在不同温度时电压灵敏度（g 常数）的变化小于电荷灵敏度（d常数）的变化。因此，接有压电薄膜的电压放大器， 受温度的影响较小。在图41中，电荷放大器和电压放大器的时间常数分别由 RCf和RC 确定。 做为一个设计例子，来描述一个交通传感器接口电路。由于其柔软特性，压电电缆 对交通测量应用是一种理想的传感器材料。 MSI的BL交通传感器是将压电电缆用铜护 套压扁后按安装要求配以不同长度的信号电缆而构成。 其感应长度超过3米。在此例中， BL传感器是2米长。这个电屏蔽的传感器有100英尺同轴电缆1传感器的膜用典型放大器 电 容=9.5nF（包括压电电缆和信号电缆电容） 输 出=500mV对一个在55mph和70时800磅的轮 载） 信噪比=10:1 接口电路的基本要求是：低端频率=1.6Hz 电路输出=数字脉冲计数 满足这些要求的接口电路见图42。这个电路就是 一个比较电路。为使截止频率减小到 1H z,选用10M? 不得用于商业用途 Cf m MKX EtMOTMlX QM - Z 不得用于商业用途 仅供个人参考 输入阻抗。这个电阻的实际截止频率可按 1.6Hz计算。 用一个10M?电位器来调节阈值电压V,二极管用于保护 元件免受高压损坏。一辆以55mph速度行驶的小客车典 型的压电膜和接口电路输出信号见图 42。 信号整理 由于压电薄膜即有压电效应又有热电效应，必需有 预防措施去掉或减小不需要信号的影响。信号整理的 基本原则包括： 滤波-给出所要的带通和带阻特性的电子滤波器。 平均值-如果所要的信号有周期性，而不想要的信号 是随机的，单平均值可以增加信噪比。 共模抑制- 基本开关电路 有多种电路可用于压电膜的接口 ，包括场效应晶体管 (FET),运算方大器(OpAmps和低电流数字逻辑电路(CMOS) 由于FET已用于表面贴装技术，可在小尺寸应用时考 虑用FET使用FET时应考虑的重要特性是开关频 率,压电膜电容,FET关断状态的漏电流，输入偏置阻 抗和电磁干扰(EMI)屏蔽。 图43和图44是典型的压电膜开关的FET电路图。 图43,共漏极或源极跟随器在应用中应用的很好， 在应用中简单的缓冲器是重要的。在这里，电路电压增益 约为1。 在图44中的共源极点路对需要电压增益的低频 应用是合适的。增益由阻抗 Rd和Rs确定。当增益增 加时，频率带宽按每20dB增益/十倍频程的系数减小。 运算放大器为压电膜开关应用提供了很大方便。 对特定的应用，很容易与其匹配。重要的运算放大器 电路特性包括输入偏置阻抗，薄膜开关电容和EMI屏蔽。 图45的运算放大器电路，一个电荷放大器，适合一 个测得的振动触发开关的应用。在小信号应用中也工 作的很好。一个电荷放大器消除了压电膜和连接电缆的 时间常数效应。电荷放大器是一个零输入阻抗的电流运 算电路,结果是在膜两面没有电压产生。电荷放大器快 速的吸收薄膜产生的电荷。由于在薄膜电极上无电荷 ， 薄膜表现出无时间常数。图43.高频，低增益FET 电路接口 图44.低频，高增益FET 电路接口 图42.交通传感器的接口 电路 图45.运算放大器接口电 路作为电荷放大器 不得用于商业用途 仅供个人参考 薄膜和连接点缆的电容在电路的传递功能上没有反 效应。因而薄膜尺寸和电缆长度公差控制不需要特别严 格。电荷被从薄膜输送到放大器反馈环的电容，此电容 确定输出电压：V=Q/Cf。 该电荷放大器需要一个有高输入阻抗和低偏置电流 的运算放大器。一个高输入阻抗避免了在反馈电容上电 荷的泄漏，低偏置电流防止反馈电容过度充放电。电荷 放大器电路的布局是关键。运算放大器外壳必须很好接 地输入端应保护好并象外壳一样很好接同一地。 有保护输入端的布局见图46。为防止运算放大器放 大造成的泄漏噪声，应用绝缘良好的STANDOFFS头端接 输入电缆。 尽管有上述保护措施，输出电压仍会漂移。为补偿漂 移，通常在电路中设计一个复位开关隔一端时间用手动 将输出置零。一种就是在电阻上串联一个簧片开关 ，但与 反馈电容Cf并联。起动簧片开关关闭此开关，放掉存在 反馈电容内的电压。 另外一个方法是用一个MOSFE器件,在这器件中最大输出电压和关门电压决定 FET 的最小门电压。实际应用中，给MOSFE门一个大于放大器电压的电压，降低其漏/源极阻 抗和为反馈电容放电创造一个电流路径。 图48.微分运算放大器接 第三种办法是在反馈回路并一个分压电阻。这个电 口电路 阻产生一个时间常数(CfRf),这个时间常数与薄膜电容 无关并可精确控制 图47的信号电平检测器适用于大信噪比的应用。这 个电路对在低电平振动中检测冲击是理想的。对信噪比 低和必需将冲击或压力信号从背景振动中鉴别出来的情 况，图48的微分放大器电路是合适的。这个电路由两个 驱动微分放大器的传感器组成。 这个电路用共模抑制概念。两个开关机械耦合用于 消除模拟二者的不想要的振动。在一个开关上的输入或 压力信号会产生输出，而另一个却没有。 CMOS逻辑电路提供了与压电薄膜接口的一个低成 本方案。如前所述，用CMO技术实现的低能耗电路非常 适合于压电薄膜开关。对压电薄膜来说 CMO应用一般 是对低频工作。其它要考虑的特性包括器件输入泄漏电 流,输入阻抗，输入偏置阻抗，和EMI效应。图48.微分运算放大器接 口电路 图46.保护输入端的布局 图47.信号电平检测器 图49.用于检测单个冲击的 CMO电路 不得用于商业用途 例如，一个不得用于商业用途 仅供个人参考 CMO电路可用于感应一个单个冲击或一个压力信号。 图49的D触发器显示冲击或压力信号会推动一个 声音报警。 图50中的电路在记数应用中感应多次冲击或压力 信号。 对与压电膜接口有许多不同的 CMO电路配置可用。 所有电路的共同点是输入偏置电阻与压电薄膜并联 ，输 入电阻与压电薄膜串联。偏置电阻负责漏电流而串联电 阻限制电流保护其不受静电放电电荷的冲击。 电缆 信号的连接电缆 屏蔽的同轴电缆被用于减小噪音时，会产生电缆泄漏和附加电容。在大多数情况下， 电缆的初始绝缘层已有较高的阻抗,非极化塑料如高纯度聚乙烯或 Teflon ?（PTFE）。由 于电缆的移动产生噪音从而干扰信号传输，使电缆保持非 振动状态同样是重要的。 制造 压电膜卷料是在净化房环境下生产的，首先是将 PVDF颗粒料熔化并挤压成片状， 然后，再进一步延展至挤压片料1/5的厚度。低于聚合物熔点温度的延展使分子的链群 成为平行的结晶面，称之为B相”为取得高等级的压电活度，将这种 B相的聚合体置 于很高的电场中，使晶粒顺应极化场排列， PVDF共聚体则无需延展即可极化。 经蒸发沉积的金属化层厚度通常是 5001000A几乎任何金属化层均可以这样沉 积。常用的金属有：镍、铝、铜、金及其合金。电极的制造是掩膜喷镀，或用光刻胶进 行化学蚀刻连续金属化。分辨率现可以达到 25阿线宽，采用导电银墨进行丝印电极， 其电极就厚得多，约为510叭 这种方法多用于在单片材上构成多个传感器且需要复 杂形状的电极。银箔层是以薄胶层粘合，并与压电膜容性耦合。每种电极各有优缺点。 总的来说，喷镀金属用于高分辨率的阵列、 低热质量的热电应用，或者惰性侵入式 的医学应用。全金属化片材可以用剃须刀片小心切割， 不会造成膜厚方向的短路。网印 油墨则非常牢固，也很柔韧，可以承受很高的应力（10%）,也可以在高电压条件下使用， 不会发生击穿，并适于连续印制。 但是，由于从丝印电极上切下元件时，极有可能使有 厚油墨的压电膜在厚度方向上短路，因而要留出非金属化的边缘。电极层从机械上限制 了压电膜对于作用在膜平面上的外部应力和应变的响应， 但它在 厚度模式”方向工作时 很有用。 经过金属化之后，还要经许多加工步骤后才生产出最后的成品。 简言之，压电膜是 层压在一种保护载体膜上，经切割成形，并加引线或端子后包装，有时还包括信号整理 电路。经封装后的传感器件范围很广，从几平方毫米 （包括ASIC芯片）的运输损坏传感在不可能在压电薄膜传感器附近接入放大电路的应用中 ,必需考虑选用可传输高阻 图50.用于记数应用的CMOS接 口电路 不得用于商业用途 仅供个人参考 器到数平方米体育运动记分靶传感器，足以说明这种技术的广泛用途。 应用 下面所述的传感器应用，体现了采用压电膜传感器的产品的良好效果。 开关 一般接点式开关，由于其触点受潮和积尘而结垢，可靠性会下降。而压电膜开关为 单体结构，没有了这种缺陷。所有开关应用中最具挑战性的是弹子游戏机上的应用。 一位弹子游戏机的制造商，在他的机器上采用了 MSI公司所生产的压电膜开关，取 代了原来的瞬时翻转型开关。这种开关是在弹性钢片上层压了压电膜并作为一个悬臂安 装在印制电路板的端部。 数字压电膜开关具有一个在常开状态下并不消耗电源的简单 MOSFE电路的特点。 响应一个直接的接触力时，这个压电膜弹片就瞬时触发 MOSFE电路，于是产生一个瞬 时闭合”达50V的最大电压。这种小型无触点开关的输出十分适合于逻辑电平切换。 它 不像普通接点式开关那样，会出现腐蚀、麻点以及跳动等。 该公司对这种开关进行了超过千万次以上的试验未出现过失效。 这种开关解决了这 种弹子游戏机中触点结垢的头痛问题， 大大地减少了停机和费用开支。该设计的简化在 以下的应用中很有效，这包括： 装配线和轴转速计数器开关 自动过程开关 机器配料产品的冲击感应 面板开关 脚踏板开关 门关闭开关 改进承载压电薄膜的悬臂梁，以调 节不同冲击力的开关灵敏度。图 51示出 了这种数字开关的结构。 梁式开关 压电膜开关可以用在测量一个事件的幅度、 频率和方向，及物体探测和识别，计数，唤醒开 关及双向编码等应用中，梁式开关的结构示于 图52。 注意压电膜元件是层压在较厚的基片一面上， 另一面的压层较薄，这样就使其中轴 线不在压电膜元件上。于是，当应力向下时，在压电膜上形成完全的拉伸应变，而当应 力向上时又形成了压应变。如果中轴线位于压电膜的中心，也就是说两边的压层厚度一图51.弹子游戏机用开关 不得用于商业用途 仅供个人参考 样，则不管向上或向下变形，上半部的压电膜会承受下半部的反方向应力， 于是，所产 生的信号被抵消。 这种梁式开关应用在天然气压力表中的轴转速计数器或者电子公用仪表中的齿数 计数器。梁式开关不需外部电源，所以，天然气表相当安全而无火花之患。在其他方面 的应用实例有：测球击的垒球靶，测投篮命中率的篮圈感测计数器，以及软洋娃娃吻脸 和逗乐开关（传感器缝制在布娃娃中），另外还有自动售货机的投币传感器等。 快动开关 压电材料对纯直流没有响应，对低频事件 如0.0001Hz，通常是无法用压电膜来检测的。 当应用要求直流响应时，可以将压电膜配合 一个可触动的园顶罩，产生出一个高压脉冲。 当按钮器件触动时，压电膜快速地应变，一 般在图53所示的1MQ电路中产生一个10V的 脉冲。这种概念特别适用于唤醒开关，电路 总是处在不工作状态，只有当触动开关时才工作，压电脉冲将电路接通。用电池的泊车 表是应用压电式快动开关的一个例子，因为电池寿命是很重要的。 碰撞传感器 击打式打印机 高速击打式打印机要求非常精确的打印头定时， 有字符的高速运转的钢带刚好位于 打印锤前的瞬间就必须产生打击。打印锤的任何提前或滞后动作，都只能导致打印错位。 压电膜传感条装在打印机压板内，监测打击时间和打印头的打击力以及向控制器发 出信号。执行器的定时是根据打印头定时的微小变化而自动调节的。钢带的高速运转 （300英寸/秒）要求有非常快速反应的开关。原有的打击开关，由于打印头打击力大， 损坏得很快。压电薄膜开关在这一应用中已无故障地工作了五年多。 体育记分 压电膜传感器可用来测量打击时间、 位置（精度）以及力，而这些参数在好几种体 育运动记分方面都是需要的。90mph的投掷有约50,000瓦的瞬时功率，这一应用的挑 战是靶标的坚固性而同时在设计中又不引入强烈的颤动。 第二项记分应用就是电子箭靶盘，它是由压电膜监测许多打击区，实现电子记分。 乐器 电子技术在乐器上的大量应用在鼓和钢琴上带来一个特殊问题， 压电膜打击元件可 满足鼓触发器和钢琴键盘很高的动态范围和频率响应要求。压电膜片再配合以脚踏板开不得用于商业用途 仅供个人参考 关，来实现低音鼓声，触发器实现小鼓下弦音和印度土人鼓声。 压电膜打击开关对力很 灵敏，可以忠实地复制出鼓手和钢琴家的风格。 在电子琴中，压电膜开关的动态响应范 围和时间常数均与钢琴极近似。 交通传感器 美国政府当前正在积极地 研究智能高速公路”，以完善 新的高速公路的建设。主导思 想就是如果对现有高速公路实 现电子化管理，可以满足更大 的车流密度。 图54.路面下永久性交通传感器 kll B.rib f 1 11器 * 甘* 3/1 g. i i 、一 j 品* i V * * 除对高速公路的研究和执法的常规交通监测外，智能化车辆 /高速公路系统 (IVHS)计划对新等级 智能高速公路”高速探测器提出了要求，对车辆要计数、 分类，提供车道控制，要监控车重和速度。IVHS还需要智能车”传感器，先进的车辆 监视，通讯以及软件系统等。 类似IVHS这样的未来计划和 更多的像战略高速公路研究 计划(SHRP ”这样的现代项 目均需要采集交通数据并向美 国联邦高速公路署提供所需要 的高速公路建设所需资料。近 年来信号处理方面的进步打开 了改善实时车辆数据分析的大 门,但前提是要开发出低成本可 靠的传感器技术。 道路气动导管长期以来一直是交通数据采集的主力，它为压电薄膜提供气动脉冲， 车轴经过时触发附近的电子设备。 对各种传感器技术的评估表明压电膜电缆可以为高速公路州际车辆分类和行驶中 称重系统提供所需的灵敏度、线性、抗噪声性以及环境稳定性。压电膜电缆 BL传感器 被用于加拿大萨斯喀彻温省至美国佛罗里达州的交通数据采集系统。 压电电缆交通传感器的结构示于图 54和55。它主要分为二类永久性的和临时性 的。总之，永久性的是安装在道路中间， 使传感器的顶部与路面平齐；而临时性的均粘 在路面上，作短期监测用。永久性传感器均应用于收费站及州际数据采集， 安装时与路 面平齐，必须经得住年复一年的高密度车辆往来， 扫雪车辆，盐、砂、水的覆盖和清扫。 新泽西隔离墙”，这种现代 化的水泥隔离墙将公路相反方向 车道分隔开，这就产生了四车道 高速公路的多车道传感问题。压 电电缆利用一个传感器对每一相 图55.路面下永久性交通传感器 ，7- d i . r ”皓診;总; I f 伽 1什肓册 * tS* i 图56.多万向传感器 1 r / t t 1 TriHic 仅供个人参考 不得用于商业用途 应车道有相反极性的办法解决这 一问题。当车辆通过邻近车道时， 就会产生出一个与远处车道上车 辆相反符号的信号。这种在一个 传感器上提供车道情况的能力，是一个重大的发展。 交通传感器可以监测车速，计轴数，车辆称量，方向判定以及车辆分类等。最近， 已证明这种传感器在机场滑行跑道上是有用的。 从输出信号机场管理人员可以观察到飞 机的地速（两传感器间的时间延迟），方向，重量（含燃料），机轮轴数，及飞机翼展（根 据速度和已知的两探测器间的固定距离求得）。这些信息可以用来对飞机分类，提供滑 行跑道的交通管制及机场的安全情况。 振动传感器 压电膜最早应用之一就是小提琴的拾音器。后来，吉布森吉它公司用压电膜做成鞍 形弦码拾音器装在弦码内推出了一系列的声学吉它。 这种拾音器的非常高的保真度引出 了一系列的振动传感和加速度计应用。 乐器拾音器 图57.屏蔽压电膜 目前，压电膜在吉它拾 音器的应用有四种设计方案： 第一种是厚膜的，压迫式应 力型（在弦码下）设计；第 二种是低成本的加速度计； 另外二种为接触式麦克风， 一种是包在插在弦码内的鞍 形上，另外一种是粘在乐器 上的拾音器。由于材料的Q值低，没有陶瓷拾音器的自谐振问题 屏蔽请参看图57的折叠方案，热的一面就是折起来后的内侧的稍窄的电极。由于 屏蔽是用压电材料构成，所以折叠技术可提供比其他屏蔽法较高的拾音灵敏度， 传统屏 蔽层可以很容易地以多层压电膜，粘胶及屏蔽箔制成。 机器监控 屏蔽压电膜传感器在乐器中表现出的高保真度导致了机器监测用的振动传感器的 开发。在其最简单的模式中，压电膜振动传感器基本上就像动态应变片一样。 压电膜不 需要外部电源，但发出的信号比应变片放大后的信号还要大。 一个典型的压电膜传感器 产生的电压信号比箔片式应变片大四个数量级， 比半导体式的高二个数量级，压电薄膜 应变片的频率响应也十分优越。 高灵敏度是由于压电膜材料的形状所致，小的材料厚度意味着非常小的横截面积, 因此，非常小的纵向力就可以在材料内产生非常大的应力。仅供个人参考 压电膜传感器可以贴装在振动表面上监测振动结构的频率和幅度。 这种传感器比普 通的应变片覆盖较大面积，因此，为得出有意义的结果，应在均匀的应变场中做直接的 比较。很明显，点式传感器总有需要它的地方，尽管小传感器的电容较小，还要