弯曲式传感器 什么是弯曲式压电加速度传感器？
什么是弯曲式压电加速度传感器？
压电振动传感器通过安装在电力设备表面的振动传感器获得振动信号，从中提取特征量后结合数据处理及故障诊断方法，可有效评估运行状态，被广泛应用于电力设备在线监测或临时性检测。
压电振动传感器是感知振动信号的传感器件，按用途可分为压电加速度传感器、压电力传感器、压电力矩传感器、压电应力传感器等，其中以压电加速度传感器使用最为广泛。
按不同振动方式和传感器结构，压电加速度传感器可分为压缩式（d33型）、剪切式（d15型）、弯曲式（d31型）等。当驱动力较大而结构形变不大时，选择d33型转换；驱动力较小而形变大时，考虑选择d31型转换。
压缩式传感器较易获得外界振动激励，剪切式传感器压电材料d15系数较高、压电性能较好，是目前使用最多的两类振动传感器。然而这两类传感器输出响应调控主要基于选取不同规格质量块，谐振频率普遍较高，难以适用于低频微振动传感。采用弯曲式悬臂梁结构，有望突破低频微振动传感的关键问题。
弯曲式压电加速度传感器如图1所示。弯曲式压电加速度传感器多采用悬臂梁结构，悬臂梁自由端装配质量块，压电晶片（或薄膜）粘贴于悬臂梁侧面，根据粘贴晶片的数量可分为单晶悬臂梁和双晶悬臂梁。传感器受力振动时，侧面受拉伸压缩，使压电材料发生形变输出电信号。
根据传感器振动模式可以发现，压电晶片输出电压方向垂直于受力方向，弯曲式压电加速度传感器压电性能主要受压电系数d31影响。弯曲式压电加速度传感器多采用“软”压电陶瓷或柔性压电聚合物以增加其振幅。
图1 弯曲式压电加速度传感器
相比于压缩式和剪切式振动传感器，弯曲式振动传感器频率响应方便调节。闫震等选用PZT-5H为压电晶片，探讨了弯曲式压电悬臂梁器件结构参数与输出电压的关系。研究结果表明，在外力激励环境下，单、双晶压电悬臂梁输出电压均随长度线性增加，随宽度反比例降低。另针对工作温度较低的问题，Wu Jingen等采用0.367BiScO3-0.633PbTiO3高温压电陶瓷（TC=450℃）作为压电双晶片，其谐振频率为40.75Hz，高温压电双晶弯曲式传感器如图2所示。
图2 高温压电双晶弯曲式传感器
此外，有研究者将悬臂梁自由端质量块替换为磁铁设计压电电流传感器：当电流流经导线时，导线周围产生感应磁场并与磁铁相互作用，驱动悬臂梁弯曲产生电信号。但受振幅限制，测量范围通常仅为数安培，难以在电网中得到实际应用。
本文编自2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”，作者为姚睿丰、王妍 等。
大阪大学研究人员开发出柔韧可弯曲的光学传感器 揉成一团也能用
近年来，成像技术取得了令人瞩目的进步，从每秒能捕捉 200 多万帧图像的高速光学传感器，到只需一个像素就能捕捉图像的小型无镜头相机，不一而足。大阪大学的研究人员在超薄聚合物薄膜上使用碳纳米管和有机晶体管制造出了一种柔软、柔韧的无线光学传感器。这项创新有望为成像技术和非破坏性分析技术带来新的可能性。
在最近发表于《先进材料》（Advanced Materials）上的一项研究中，大阪大学科学与工业研究所（SANKEN）的研究人员在一种超薄柔性薄片上开发出了一种光学传感器，这种传感器可以弯曲而不会断裂。事实上，这种传感器非常灵活，即使被揉成一团也能正常工作。
在照相机中，光学传感器是感应穿过镜头的光线的装置，类似于人眼的视网膜。
传感器设计的创新
"传统的光学传感器是使用无机半导体和铁电材料制造的，"该研究的主要作者 Rei Kawabata 说。"这使得传感器变得僵硬，无法弯曲。为了避免这个问题，我们研究了另一种探测光的方法。"
与传统的光传感器不同，研究人员使用的是印在超薄聚合物基底（小于 5 微米）上的微小碳纳米管光电探测器阵列。当暴露在光线下时，碳纳米管会发热，形成热梯度，然后产生电压信号。在印刷过程中掺入化学载体可进一步提高纳米管的灵敏度。利用这些纳米管，可以测量可见光以及与热或分子有关的红外光。
用于宽带红外热分析的集成有机电路的超灵活无线成像仪利用片状光学传感器对光、热和分子进行探测和成像。
无线技术集成
除了碳纳米管传感器，聚合物基板上还印有有机晶体管，将电压信号组织成图像信号。要读取这种信号，计算机不需要通过电线与传感器进行物理连接。取而代之的是一个无线蓝牙模块。
该研究的资深作者荒木祯平说："有了这套无线系统，我们的成像仪就能附着在柔软和弯曲的物体上，对其表面或内部进行分析，而不会损坏它们。"
集成了碳纳米管光电探测器和有机晶体管的片式光学传感器
研究人员制作了薄片型光学传感器的原型，并测试了其感应人体手指或电线等物体的热量以及流经管道的葡萄糖的能力。他们发现，这种光学传感器在很宽的波长范围内都具有很高的灵敏度。此外，在室温和大气条件下，测试表明它具有很高的弯曲耐久性，即使被揉皱也能正常工作。
这种无线测量系统和薄片型光学传感器的独特优势将为执行许多任务（如无需采样即可评估液体质量）带来更简单的新方法。研究人员认为，它在无损成像、可穿戴设备和软机器人等许多应用领域都大有可为。
编译来源：ScitechDaily
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