压电传感器发展研究综述

钟婷 刁福元 刘飞虎 许明涛

摘 要 压电传感器是工业实践中最常用的传感器之一。本文综述了国内外压电传感器的发展现状。目前我国的压电传感器以电荷输出为主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号自适应装置。国外对TEDS传感器、即插即用传感器或智能传感器进行了研究。目前，压电传感器还存在理论研究阶段实用性不强、压电元件非线性特性不足、压电材料压电特性低等问题。解决方法是将理论研究应用于实验调试，研制聚合物压电材料，建立压电内、外环元件的非线性曲线拟合模型。预计未来压电传感器系统将变得更加小型化、集成化、多功能化、智能化和系统化。

关键词 压电传感器 压电元件 压电材料

中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）02-0004-03

传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息技术的三大支柱。压电传感器因为其频率响应高、体积小、重量轻、频带宽等特点，已成为一种重要的组件，并已广泛应用于工业、军事、农业、医学、航空等领域。但目前，无论在国内还是国外，传感器技术都远远落后于信息系統的其他技术，不能满足信息技术系统的需求。

1 国内外发展研究情况

目前全球传感器市场主要由美国、日本、德国的几家龙头企业主导，这三个国家连同中国合计占据了全球传感器市场份额的3/4，但是中国的占比仅为1/10左右，与全球生产的两万多种产品品种相比，我国国内仅仅能生产其中的1/3，且技术含量远低于发达国家。

1.1 国内压电传感器发展研究情况

中国压电传感器的研究和应用比世界先进水平至少落后10年。自20世纪70年代以来，压电传感器的应用主要是为了满足航天技术发展的需要。改革开放后，随着国外先进技术和管理经验的引进，压电式传感器测量引起了一定程度的重视。目前，我国压电传感器的主要技术水平，主要还是以电荷输出为主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号适调装置。

当下，国内仅有一家产IEPE加速器的厂家，但完全依赖于国外提供的内装微电子电路，还没有达到自主研发的阶段。国内智能传感器研究单位主要有：中国科技大学电子科学自动化系、华南理工大学机电工程系、东南大学仪器科学与工程系、中科院合肥智能机械研究所传感器技术国家重点实验室等。

1.1.1 国内技术发展研究情况

我国对于压电传感器应用于实际的研究体系庞大，通过近几年的努力，我国在工业技术、医药卫生、交通运输、航空航天、农业科学、数理科学和化学、天文学和地理科学等方面的压电传感器应用研究中取得了不同程度的成就。

（1）在医学方面的应用。早在2016年就有学者利用磁性表面分子印迹技术与压电传感器进行结合，研究了一种氯霉素的检测的新方法。[1]研究中，将磁性纳米颗粒作为氯霉素磁性表面分子印迹聚合物的载体，以甲基丙烯酸为功能单体进行聚合反应。其中，磁性分子印迹聚合物的形态学功能、识别性能、吸附作用等则通过紫外分光光度计、红外光谱分析仪及透射电子显微镜一系列仪器进行检测。然后将磁性表面分子印迹聚合物与压电传感器的敏感元件相结合，用所制备的压电磁性表面分子印迹传感器对氯霉素进行检测，最终的实验结果表明传感器对氯霉素有很好的结合性能和高灵敏性。

（2）在航空航天方面的应用。近年来，我国航天事业得到了快速发展， 噪声与振动主动控制技术作为航空航天领域长期研究的课题，它对提高飞行舒适性、降低飞行噪声、延长飞行器疲劳寿命具有很大的经济价值。在这方面，ASAC系统用于结构噪声的控制时具有明显优势，因为其可经济有效地通过少量的作动器控制振动结构表面的振速分布来抑制声辐射，最终达到实现对结构声辐射的控制。其中，ASAC系统最关键问题之一就是误差传感器的设计，因为在低频范围内，决定声功率的主要影响因素就是结构的体积位移幅值，抵消结构表面体积位移，可以使得振动结构在低频范围内的声辐射大幅降低。如果能通过压电式体积位移传感器设计ASAC系统，可以大幅降低控制器的设计难度。[2]

（3）在工业技术方面的应用。近期，有学者基于相关实验理论推导了窄带激励下压电纤维对Lamb波的方向传感响应特性，他们通过压电耦合仿真分析，利用相关实验测试研究了不同频率下压电纤维的方向传感特性，并由此提出了一种基于误差函数的主应变方向估计方法。实验起初，他们先是利用压电纤维对Lamb波传感的良好方向性将3根压电纤维分别按00、450和900三个不同角度布置，然后将其固化在聚合物基体中，用制成的压电纤维传感器来检测Lamb波传播方向。接着再将直角三角形、Y形和等边三角形分别在00、450和900，00、1200和2400，00、600和1200这3种压电纤维布置方案下的主应变方向识别结果进行对比分析，最终得出研究结果，即压电纤维传感器具有良好的Lamb波传播方向检测性能，可为无需Lamb波波速的缺陷识别方法提供传感技术支持。[3]

1.1.2 国内产品发展研究情况

我国压电式传感器研究比美日等发达国家晚，但队伍庞大，效果也显著，如我国研究人员研制的三元系P M S 压电陶瓷，在性能和工艺方面都优于国外的同类材料。不仅如此，我国的航空发动机压电式振动传感器已达到国外先进水平。此外，我国的压电陀螺和压电线加速度表的研制开始于1970年，迄今压电陀螺在技术上优于美国，此项发明还获得过获国家发明奖。事实上，政府的法规将要求压电传感器用于多种应用，包括TPMS、柴油和汽油颗粒过滤器（DPF，GPF）和燃料箱蒸发（EVAP）。

目前，国内传感器市场仍然以外资为主，占比到达67%，国内主流传感器厂商有深圳赛纳威环境科技有限公司、航天年代电子技能股份有限公司、上海威尔泰工业自动化股份有限公司、杭州士兰微电子股份有限公司、深圳市信立科技有限公司等。

1.2 国外压电传感器发展研究情况

自上世纪90年代中期以来，国外相继进入了即插即用智能TEDS混合模式接口传感器的研究。1983年，美国霍尼韦尔公司研制出第一个智能传感器——用于过程控制的智能压力传感器。在那之后，大量公司陆陆续续开发了自己的智能传感器产品。这些智能传感器大多具有响应速度快、非接触式测量、精度高、分辨率高、可靠性好等优点。此后，传感器在军事和工业检测与控制领域得到了广泛的应用，传感器的智能化得到了广泛的关注和快速的发展。

现如今，国外传感器研发公司主要有美国的PCB、Honeywell、IST、CAS、CBT、ITC，德国的Proxitron、Knick、OPTEK、Ahlborn、polytec、FCG，瑞士的MEMBRAPOR、Kistler，另外还有英国的Senstronics、日本Micron、丹麦B&K，加拿大NOVA及芬兰Vit等等。

1.2.1 国外技术发展情况

在美国NI公司的倡导下，目前共有16家全球领先的传感器生产商作为即插即用智能传感器计划项目的合作伙伴，这些成员已经开始向市场供应或研制符合IEEEl451.4传感器电子数据表（TEDS）的传感器，这种传感器被称为TEDS传感器、即插即用传感器或智能传感器。

国外的压电传感器传感器技术（ST）部门已经开发和生产了用于极端环境下测量任务的高度专业化的传感器和系统。无论是在高温下测量热声现象，动态高压测量，或执行具有挑战性的测试和测量应用，使用我们广泛的压力、力传感器和加速度器。

1.2.2 国外产品情况

世界上大部分国家主要发展半导体湿度传感器，日本主要发展陶瓷湿度传感器。近年来，国外从事压电陀螺的厂家从原来的少到现在的多，一方面在世界各地推销商品，另一方面密切关注声表面波压电惯性传感器陀螺的发展。例如，盲眼，这种高档的压电声传感器，已经商业化。

过去各国几乎都是主要发展半导体力敏传感器，目前压电力敏传感器不断增加，并且国外生产的压电气（ 湿 ）敏传感器具有其它同类传感器难与相比的分辨率。

如今国外传感器技术发展迅速，并广泛运用于试验与测量、航空测试、用KiDAQ采集数据、航天测试、动态称重、测速执法、生物力学和测力台、切削力测量、热声学、高速动力学、轨道技术。

2 目前存在的问题及拟解决的方案

2.1 目前存在的问题

压电传感器已经成为人们生活中不可缺少的设备，但压电传感器的发展还有很大的进步空间。从研究结果来看，压电传感器的应用仍处于理论研究阶段，且压电元件缺乏非线性特性，压电材料压电特性低。

2.1.1 理论结合实际

目前的研究大多还停留在理论研究阶段，真正用于实际的产品还很少，工程实用化方面研究相当薄弱。具体表现在理论及仿真研究较多，但是实验验证相对较少，研究对象以简单结构较多，对复杂结构的研究还相当欠缺。

针对这一问题的解决方案就是加大实验验证，将理论研究与实际情况相结合，反复运用改进，研制出在生活中有实际作用的产品，再进一步对复杂结构深入研究，提高研究层次。

2.1.2 压电元件的非线性特性

由于压电材料的极化特性，压电系统只能在一定范围内满足近似的线性要求，并且容易受到各种外部环境的影响。因为非线性特性的存在使得压电元件的重复性差、检测精度低、瞬态位置响应速度慢以及可控性差，这些原因的存在阻碍了压电元件进一步应用于工程项目。主要的解决方法是建立能夠反映外圈特征和内圈形成情况的外圈模型和Preisach模型及其变形，并与一定的控制算法相结合。其中电荷控制和电压控制是压电元件线性化控制的两种主要方法。[4]

2.1.3 压电材料

压力传感器要进一步发展，压电材料的压电特性必须进一步提高，这就使得压电材料的应用受到更大的限制，主要的解决方案就是投入对压电晶体、高分子压电材料等研发的力度。

近几年，高分子压电材料因为其材料质地柔软，价格便宜，不易破碎，具有防水性，所以成为发展较为迅速的新型压电材料，而且它的测量范围可达80dB，频响范围从0.1Hz～109HZ，是一种较为理想的电声材料。但由于它的工作溢度适用范围在100C°以下，机械强度较低，且不耐紫外线照射，所以它的性能还需要进一步开发。

除此之外，聚合物基压电复合材料因为具有良好的柔顺性、器件结构的可设计性，弥补了传统压电材料的短板，从而拓展了适用范围，使其成为综合性能优异的新型压电复合材料，因而受到了人们的广泛关注。目前，聚合物基压电复合材料已经在很多领域得到了重要的应用，随着它的性能不断提高，其应用领域将进一步扩展，使其必将成为压电聚合物和压电陶瓷理想的替代材料。[5]

3 未来发展趋势

通过对压电传感器发展趋势的详细分析，可知在当前技术水平下的传感器系统正朝着小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。在未来，随着CAD技术、MEMS技术、信息论和数据分析算法的不断发展，预测将来的传感器将变得更加标准化、小型化、集成化、多功能化、智能化和系统化。

4 结论

本文介绍了国内外压电传感器的发展现状、存在的问题及解决方案，并预测了今后的发展方向。压电传感器本质上是一门边缘科学，需要投入大量时间、不菲的金钱和科学家坚持不懈的努力。所谓得技术者得天下，传感器是工业快速发展的有力推手，中国压电传感器的研发与应用还有很长一段路要走，未来可期。

参考文献：

[1] 赵晨，任育苗，陆文总，等.压电磁性表面分子印迹传感器对氯霉素的检测[J].科学技术与工程，2016，16（15）：149-153.

[2] 钟海彬.阵列式压电体积位移传感器的设计及实验研究[D].江西：南昌航空大学，2015.

[3] 王送来，吴万荣，沈意平，等.基于压电纤维传感器的Lamb波传播方向识别[J].振动＼测试与诊断，2020，40（04）：656-662.

[4] 贾宏光，吴一辉，王立鼎.压电元件非线性特性研究的进展[J].压电与声光，2001（02）：116-119.

[5] 刘欣然.聚合物基压电复合材料研究进展[J].河北民族师范学院学报，2017，37（01）：123-128.

（1.西华大学，四川 成都;2.四川轻化工大学，四川 宜宾）