压电薄膜轴传感器及其在智能交通系统中的应用

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1、称重科技2008·青岛压电薄膜轴传感器及其在智能交通系统中的应用中国运载火箭技术研究院第七○二研究所刘九卿【摘要】本文介绍了共聚物压电薄膜材料的压电效应、特性参数，压电薄膜轴传感器的检测原理、技术性能，以及该传感器在智能高速公路管理系统和车辆超限监测系统中，用于车辆轴数、轴距、轮胎数计量，车速监测，车型分类，动态称重，道路监控等实施方案与测量原理。【关键词】共聚物压电薄膜轴传感器压电效应动态称重超限监测信息采集一、概述20世纪60年代，美国科学家发现在鲸鱼的骨和腱内存在着微弱的压电效应，于是开始了对其它有可能具有压电效应的有机材料的研究工作。1969年Kawai（凯沃）发现在极化

2、的含氟聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）中有很高的压电能力，其它材料如尼龙和PVC也都具有压电效应，但没有一种能像PVDF及其共聚物一样呈现出那么高的压电效应。PVDF压电薄膜通常很薄，不但柔软、密度低、灵敏度极好，而且还具有很强的机械韧性，其柔顺性比压电陶瓷高出10倍。可以说是一种柔性、质轻、韧度高的塑料膜，可制成较大面积和多种厚度。它可以直接贴附在机件表面，而不会影响机件的机械运动，非常适用于需要大带宽和高灵敏度的应变传递。作为一种执行器件，聚合物很低的声阻抗，使其可以有效的向空气和其它气体中传送能量。PVDF压电薄膜传感元件，在美国已形成具有一定规模的产业，有较大的发展空间。近年

3、来，又研制出PVDF新的共聚物，近一步扩大了共聚物压电薄膜传感器的应用。这种共聚物可以在135℃高温下使用，同时还能提供所需要的形状，如圆柱形、半球形等，最小厚度可达28μm。应用于20多个科研、工业、商业、医疗、汽车、交通等领域，例如：机器人技术的触角感应器，微定位器，缓冲器等；汽车的加速度计、座位占据感应器、汽油液位计、轮胎转速器、防盗感应器等；医疗诊断的血压臂套、脉搏计数器、呼吸监视器等；智能交通系统的车辆轴数、轴距、轮胎数计量，车速监测、车道控制，停车区域监控，动态称重等。二、共聚物压电薄膜的压电效应与特性参数共聚物聚偏氟乙烯（PVDF）是一种经特殊加工后能将动能转化成电

4、能的聚合体材料，具有很高的压电性能。应用此种压电材料制成的传感器，当受到机械冲击或振动时，压电材料原子层的偶极子（氢—氟偶对）的排列顺序被打乱，并试图使其恢复原来的状态，这个偶极子被打乱的结果就是一个电子流的形成而产生电荷，这就是PVDF的压电效应。此压电效应是可逆的，它可以把机械能1第八届全国称重技术研讨会转换为电能，也可以把电能转换为机械能。即当有外载荷施加到传感器上时，就会产生电荷（电压），而当卸去外载荷时，就会产生一个极性相反的信号。它产生的电压可以相当高，但传感器产生的电流却比较小。PVDF压电薄膜具有密度低、材质轻、灵敏度高、机械韧性好等特点，可制成多种厚度和较大面积

5、。作为一种传感器它的主要特性参数如下：9（1）频带宽：0.001Hz～10Hz；-89（2）动态范围广：10～10Psi（磅/平方英寸）；（3）声阻抗低：与水、人体组织和粘胶体系接近；（4）弹性柔顺性好；（5）高电压输出：在同样受载条件下，比压电陶瓷高10倍；（6)高介电强度：可耐强电场作用(75V/μm），此电场强度大部分陶瓷都退极化；（7）机械强度高，耐冲击、振动性能好；（8）稳定性高：耐潮湿、耐多数化学品、耐氧化剂、耐强紫外线和核辐射；（9）可加工成特定形状；（10）可以用市售胶粘合。三、PVDF压电薄膜轴传感器的检测原理与技术性能PVDF压电薄膜轴传感器是由镀银铜丝编织成

6、的扁平芯线，缠绕在芯线上的在强电场中极化的薄膜（或涂层）和0.4mm的黄铜管外护套制成的同轴“线缆”式结构。在制造过程中，将PVDF材料置于一个强电场中进行极化，数量级为一毫米厚的压电材料大约100000V。极化场使非结晶聚合体变成半晶体形式，同时又保留了许多聚合体的柔韧特性。共聚物PVDF压电薄膜轴传感器的检测原理，与其说是在车辆经过时采集信息，不如说是在车辆轮胎压过轴传感器时采集信息。即轮胎压过压电薄膜轴传感器时，便产生一个与轮胎压力成正比的模拟信号，并且输出的周期与轮胎停留在轴传感器上的时间相同。每当一个轮胎经过轴传感器时，轴传感器就会产生一个新的电子脉冲。由此不难得出，压

7、电薄膜轴传感器用于公路行驶车辆动态称重的检测原理是对动态载荷产生信号的积分。共聚物PVDF压电薄膜轴传感器的尺寸参数与技术性能如下：（1）芯线：16AWG扁平编织镀银铜线；（2）压电材料：在强电场极化的共聚物PVDF涂层；（3）外护套：0.4mm黄铜管；（4）外形尺寸（宽×厚）6.6×1.6mm；（5）绝缘电阻：芯线与屏蔽层间的绝缘电阻>500MΩ；（6）压电常数：＞20PC/N（标称值）；（7）无源信号电缆：RG58型（HDPE）电缆外径为4.75mm，额定电容率（介电常数）为