壓電薄膜交通傳感器檢測原理

壓電材料是一種經(jīng)特殊加工后能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能的材料。一些聚合體材料，例如共聚物p（vdf-trfe）使這一特性有了很大提高。 　壓電薄膜交通傳感器由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼制成過程中，將壓電材料置于一個(gè)強(qiáng)電場中級(jí)化，數(shù)量級(jí)為每一毫米厚的壓電材料大約100000v。無護(hù)套電纜的電暈場也彩這種電場。極化場使非結(jié)晶聚合體變成半晶體的形式，同時(shí)又保留了許多聚合體的柔韌特性。 　壓電材料在受機(jī)械沖擊或振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電荷。在原子層，偶極子（氫-氖偶對(duì)）的排列順序被打亂，并試圖使其恢復(fù)原來的狀態(tài)。這個(gè)偶極子被打亂的結(jié)果就是有一個(gè)電子流形成。就像海綿中水，當(dāng)你擠壓一塊濕海綿時(shí)，水會(huì)從海綿中流出來，當(dāng)你松開時(shí)，水以被吸回去，這間壓電傳感器十分相似。當(dāng)有壓力能施加到傳感器上時(shí)，就產(chǎn)生了電荷（電壓），而當(dāng)去掉負(fù)載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反極性的信號(hào)。它產(chǎn)生的電壓可以相當(dāng)離，但傳感器產(chǎn)生的電流卻比較小。 　壓電薄膜交通傳感器的檢測原理與其說是在車輛經(jīng)過時(shí)采集信息，倒不如說是在輪胎經(jīng)過傳感器時(shí)采集信息。感應(yīng)線圈只能顯示出一個(gè)大金屬物體經(jīng)過了線圈，只能提供車輛的有限的特征信息。而壓電薄膜交通傳感器檢測經(jīng)過傳過傳感器上的時(shí)間相同。每當(dāng)一個(gè)輪胎經(jīng)過傳感器時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的電子脈沖。壓電薄膜交通傳感器在行駛中稱重（wim）的檢測有原理是對(duì)受力產(chǎn)生的信號(hào)積分。

1.電容式傳感器：不能檢測靜止在傳感器上的車輛。 　2.無源傳感器：可在前置放大器前長距離傳送而不需要供電。 　3.特性好：可測自行車，摩托車，小汽車及重型貨車。 　4.最小的路面破壞：安裝切口僅為19mm x 19mm，并可與路面輪廓一致。 　5.大信號(hào)：200公斤輪載，在以時(shí)速88.5公里行駛時(shí)，輸出最小250mv信號(hào)。 　6.易搬運(yùn)：盤卷在600mm x 600mm 的紙盒內(nèi)，卷曲直徑不小于300mm就不會(huì)損壞。 　7.壽命長：超過4千萬次esal（等效單軸負(fù)載），如果安裝質(zhì)量好，可達(dá)一億次（esal）。 　8.高信噪比：傳感器的扁平結(jié)構(gòu)（即寬厚比為6：1）使非受力方向的噪聲最小，包括路面噪聲和鄰車道車的噪聲。

1.稱重 　2.計(jì)軸數(shù) 　3.測軸距 　4.車速監(jiān)測 　5.及機(jī)場行道 　6.闖紅燈拍照 　7.收費(fèi)站地磅 　8.泊車區(qū)域監(jiān)控 　9.車輛分類類統(tǒng)計(jì) 　10.行駛中稱重（wim） 　11.交通信息采集和統(tǒng)計(jì)（道路監(jiān)控）

接觸式傳感器

利用壓電薄膜的動(dòng)態(tài)應(yīng)變片特性，可以輕松的將壓電薄膜直接固定在人體皮膚上（例如手腕內(nèi)側(cè)）。精量電子—美國MEAS傳感器的產(chǎn)品型號(hào)1001777是一款通用傳感器，傳感器的一側(cè)涂有壓力敏感膠。但這款膠未經(jīng)生物兼容性認(rèn)證，在短期試驗(yàn)中可以將3M9842（聚亞安酯膠帶）固定在皮膚上，再將壓電薄膜傳感器粘貼在3M膠帶上。

壓電薄膜之所以即能探測非常微小的物理信號(hào)又能感受到大幅度的活動(dòng)，是因?yàn)镻VDF膜的壓電響應(yīng)在相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)都是線性的（大約14個(gè)數(shù)量級(jí)）。多數(shù)情況下，只要能明顯區(qū)分目標(biāo)信號(hào)和噪聲的帶寬，細(xì)小的目標(biāo)信號(hào)都可以通過過濾器采集到。

類似的傳感器已在睡眠紊亂研究中用于探測胸部，腿部，眼部肌肉和皮膚的運(yùn)動(dòng)。另外，傳感器可以通過探測肌肉（例如拇指和食指之間的肌肉）對(duì)電擊的反應(yīng)作為檢驗(yàn)麻醉效果的指示器（神經(jīng)肌肉傳導(dǎo)）。

加速度傳感器

Minisense100是精量電子的一款標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，采用懸臂梁設(shè)計(jì)，一端用硬性PCB板夾緊并帶有連接引腳，另一端裝有質(zhì)量塊。

質(zhì)量塊使傳感器在受到振動(dòng)時(shí)連貫反應(yīng)。質(zhì)量塊‘保持不動(dòng)’，而薄膜部分發(fā)生形變，從而產(chǎn)生非常高的電壓靈敏度（大約1V/g）。由這個(gè)元件派生出其他生命特征傳感器，例如工作人員或病患佩戴的智能胸卡（內(nèi)置RF遙感設(shè)備）。通過階段性采集佩戴者的信號(hào)來確定其位置和跟蹤其狀態(tài)。傳感器感測到胸卡被摘下時(shí)會(huì)將胸卡設(shè)置成睡眠狀態(tài);如果傳感器感受到身體任何部位的運(yùn)動(dòng)，肌肉的震顫，甚至是脈搏的振動(dòng)，會(huì)喚醒胸卡。

聽診

很多電子聽診器都采用了壓電薄膜作為傳感器元件，因?yàn)樗陀?，靈敏度高，帶寬范圍寬。在該應(yīng)用中，傳感器元件通常都封裝在傳統(tǒng)的金屬聽診頭中，因?yàn)閭鞲衅餍枰c身體形成‘作用力’。一旦動(dòng)態(tài)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就可以有選擇性的過濾或放大、作為音頻信號(hào)回放、運(yùn)用更復(fù)雜的運(yùn)算方法判斷出具體的狀況、或傳輸?shù)竭h(yuǎn)程基站進(jìn)行進(jìn)一步分析存儲(chǔ)等。

傳感器組

一個(gè)復(fù)合聲傳感器可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)點(diǎn)。DeepBreeze公司用一個(gè)有差不多100個(gè)傳感器的傳感器組采集病人吸氣和呼氣的聲音信息。用真空罩將傳感器貼在皮膚表面。采集到的信號(hào)在加工處理后轉(zhuǎn)換成聲音的‘圖像’，因而氣管和肺里的氣流可以像動(dòng)畫片一樣成像。任何異物和不正?，F(xiàn)象在這些圖像中都一目了然。這種方式比X光可靠，而且安全。

病床監(jiān)護(hù)

壓電薄膜和壓電電纜都可以安裝在床墊上探測病人的心跳，呼吸和身體運(yùn)動(dòng)。HoanaMedicalInc.的監(jiān)護(hù)床報(bào)警系統(tǒng)在床墊和被單之間安裝了一組傳感器。病人坐或躺在監(jiān)護(hù)床上時(shí)，傳感器可以隔著衣服和被單準(zhǔn)確測量收集患者的生命特征信息。柔性開關(guān)用于采集靜態(tài)信號(hào)，病患所有的動(dòng)態(tài)信號(hào)都由壓電薄膜采集并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，在病床邊上的顯示器顯示。病人的心率和呼吸速率不正常，或病人擅自下床時(shí)，系統(tǒng)可以提前報(bào)警。這一切都由傳感器完成，而無需與病人直接接觸。

嬰兒呼吸監(jiān)控儀

Infantrust公司利用PVDF對(duì)應(yīng)力極端敏感的特性開發(fā)了一款輔助育兒產(chǎn)品Respisense。把監(jiān)控儀夾在紙尿片貼近嬰兒腰部的位置，監(jiān)控嬰兒心跳。Respisense中的壓電薄膜與腹部皮膚直接接觸，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)如果沒探測到嬰兒在活動(dòng)，震動(dòng)蜂鳴器將被啟動(dòng)，輕輕地?fù)軇?dòng)?jì)雰?，刺激它呼吸。如果在此后的一段時(shí)間內(nèi)嬰兒仍沒有反應(yīng)，報(bào)警器將被啟動(dòng)。

呼吸熱電監(jiān)測

PVDF對(duì)溫度的動(dòng)態(tài)變化也相當(dāng)敏感（28μm厚壓電薄膜的典型值是8V/oC）。英國C-Lect醫(yī)療公司開發(fā)了一款監(jiān)控器，用來監(jiān)測呼吸速率。用面罩將一小塊壓電薄膜元件固定在口鼻處，吸進(jìn)和呼出氣體的溫度變化產(chǎn)生強(qiáng)勁的電信號(hào)。即使吸入的是加熱過的氧氣/空氣，測量結(jié)果仍然十分準(zhǔn)確。PIPPA監(jiān)控器由電池供電，LCD顯示每分鐘的呼吸次數(shù)。

用壓電薄膜制造的嘴唇接觸式傳感器運(yùn)用了相同的原理，探測通過嘴或鼻子的氣流。相對(duì)于熱敏電阻來說，壓電薄膜靈敏度高，響應(yīng)速度快，柔軟，并且探測面積大。

帶引出的DT系列壓電薄膜傳感器：指在薄膜上絲印銀漿作為電極的矩形的壓電薄膜傳感器，它可以做成許多種不同的尺寸和厚度，引出線為28AWG線，長度為12英寸（300mm），由鉚釘將其壓接到薄膜上。DT系列傳感器每微米的應(yīng)變能產(chǎn)生10毫伏的電壓，其電容與工作面積成正比，與薄膜的厚度成反比。DT系列傳感器工作區(qū)域表面的一層防護(hù)層能保護(hù)銀漿不被氧化。

壓電薄膜很薄，質(zhì)輕，非常柔軟，可以無源工作，因此可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)用傳感器，尤其是需要探測細(xì)微的信號(hào)時(shí)。顯然，該材料的特點(diǎn)在供電受限的情況下尤為突出（在某些結(jié)構(gòu)中，甚至還可以產(chǎn)生少量的能量）。而且壓電薄膜極其耐用，可以經(jīng)受數(shù)百萬次的彎曲和振動(dòng)。