壓電電纜

壓電電纜(部件號:1005646-1)
應(yīng)用
壓電電纜的主要應(yīng)用是交通軸傳感器,壓電電纜開關(guān)用于存在/占有率檢測,壓電電纜做
為接觸式傳聲器用于生命特征監(jiān)測及周界安全等方面,在一般情況下,產(chǎn)品都是根據(jù)客
戶的具體要求設(shè)計.
特點
壓電電纜超過其它傳感器的優(yōu)點之一是感測沖擊或振動,范圍從地表振動造成的微弱壓
力信號到高速重型卡車軸的沖擊.線性動態(tài)范圍超過80dB如圖1和圖2所示.前者表示
電纜在所加力的4倍頻程范圍內(nèi)的靈敏度穩(wěn)定性,后者表示對同樣的數(shù)據(jù)實際的電荷輸
出值.在這個實驗中,是用電磁振動臺加力的.
實驗達到了50N/mm(采用跌落質(zhì)量塊沖擊)的水平.在這個水平上,電纜沒有失效,但產(chǎn)生
了芯線和編織層的非彈性變形.這個結(jié)果表明整個工作動態(tài)范圍約130dB.對這樣簡單的
傳感器結(jié)構(gòu)是相當(dāng)不同尋常的.
圖1:壓電電纜對所加載荷的靈敏度, 圖2: 壓電電纜對所加力的電荷
輸出,
連續(xù)正玄波在120Hz激勵 用圖1所示數(shù)據(jù).
典型參數(shù):
參數(shù) 單位 數(shù)值
電容量 PF/m 600
機械強度 MP 60
楊氏模量 GPa 2.3
密度 Kg/m3 1890
聲阻抗 Mray1 4.0
相對介電常數(shù) @1kHz 9
tanδe @1kHz 0.017
靜水壓電常數(shù) pC/N 15
縱向壓電常數(shù) Vm/N 250x103
機電藕合 % 20
能量輸出 mJ/strain(%) 10
電壓輸出 KV/strain(%) 5
2.1壓電電纜開關(guān)(部件號: 1005860-1)
應(yīng)用壓電電纜開關(guān)的主要應(yīng)用是檢測存在狀態(tài),可用其作成墊子,用于檢測重要位置如出入
口人的出入,工廠內(nèi)有機器的地方保護工人安全如操作區(qū)安全,或保安系統(tǒng)的侵入,門和
卷簾門的安全防護,用于自動化設(shè)備的緩沖開關(guān)以保護工人和設(shè)備,物流系統(tǒng)的計數(shù)或
物品的存在,斑馬線人流綠燈變換等.
存在/占有率感應(yīng)
壓電電纜的高靈敏度使低電平振動信號的檢測變的容易.特別是,由人體(來自血液循環(huán),
肌肉顫抖和微觀運動)所產(chǎn)生的擬隨機信號可通過腳傳到裝有壓電電纜的”墊子”上.
當(dāng)一個人踏上這個墊子時,初始產(chǎn)生的傳輸信號幅度可能有幾伏,接著是從1到100Hz
穩(wěn)定分量的連續(xù)信號. 見圖5.
圖5: 壓電電纜”墊”,顯示當(dāng)人踏上墊 圖6:安裝在汽車座位上的電纜墊
與底盤加
(下面曲線)子后并仍站在上面的電荷輸出. 速度計(上面曲線)比較,顯示高輸
出,低頻信號
同樣,汽車座位上人的存在也可以由座位內(nèi)置的壓電電纜墊來檢測.圖6中上面的曲線
顯示參照加速度計(拾取車輛底盤產(chǎn)生的振動信號),同時下面的曲線顯示小孩作為乘客
在座位上壓電電纜墊產(chǎn)生的電荷輸出.兩個信號事實上不相關(guān),墊子上的信號顯示出顯
著而穩(wěn)定的低頻分量.很清楚,人體本身的信號將表現(xiàn)出變化的特性,取決于個體的生理
和氣質(zhì),可能會有很顯著的變化,例如,如果乘客睡著了.在這種清況下,無論如何有無生
命載荷的鑒別是不可能的,但是載荷的存在或不存在仍然是可以準(zhǔn)確確定的.
基于同樣原理的商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)被開發(fā)用于探測受控路口等待行人“人流”的存在.將壓
電電纜做成一個大墊子,鋪在鋪路石板下面.盡管有附加靜態(tài)載荷的存在,甚至一個小孩
的振動信號都可檢測到,而另一方面又能抑制距傳感器鄰近車道車流產(chǎn)生的振動. 對交
叉路口人流的檢測一方面使在斑馬線前等待穿過路口的行人在人流累積到一定數(shù)量時
自動將紅燈變成綠燈,另一方面又防止在行人已違反信號穿過路口時交通被切斷.上面
的檢測器(微波或紅外)在”看”運動中(穿過路口)的行人方面是有效的,但在復(fù)雜的動
態(tài)背景下不太能區(qū)分等待的行人.
生命特征監(jiān)測 (壓電電纜做接觸式傳聲器)由”存在/占有率感應(yīng)”中的原理推論,可以將在軟橡膠封裝中嵌入壓電電纜的傳感墊
置于墊子上/墊子中或墊子下探測脈博,呼吸和粗略的人體運動.
令人滿意的呼吸探測需要一個有足夠長時間常數(shù)(或等效低頻響應(yīng))的前置放大器或監(jiān)
控電路.吸入過程經(jīng)歷超過一秒,因而電路應(yīng)有一個很長的時間常數(shù).但是,在實際應(yīng)用
中,采用很長的時間常數(shù)有很多缺點:通電后或很高幅度的非穩(wěn)態(tài)過程后系統(tǒng)要很長時
間才能穩(wěn)定,由于對壓電電纜慢加熱或冷卻產(chǎn)生的熱效應(yīng)通常是看不到的,但相對溫度
變化的開路靈敏度卻是很高的,延長的測量時間常數(shù)會暴露這個問題.
下圖(圖7和8)顯示一個先放在泡沫墊(約90mm厚)上,然后再放入墊內(nèi)和水泥地面的地
毯下的信號.傳感墊包括一條一米長的壓電電纜,由”W”形模壓的5mm厚橡膠片支
撐,300mm方形.0.2Hz(10%標(biāo)稱增益)的低頻電荷放大器可有效的探測呼吸信號,對象是
70公斤體重的成年男性.
兩條曲線的比較顯示呼吸和脈博信號之間的相對平衡是由傳感墊的位置改變的,當(dāng)傳感
墊放在墊子下時,呼吸信號顯示較小的相對幅度.但在兩種情況下,呼吸和脈博都可以情
楚的看到.
圖7 放在泡沫墊上時電纜墊的響應(yīng). 圖8 放在墊子和鋪有地毯的
地面之間時傳感墊的響
應(yīng)
埋置電纜用于周界安全
將長電纜埋在土或沙的淺表層做分布式地下麥克風(fēng)或地下聽音器.根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥狼闆r,
通常可在50米范圍內(nèi)探測人的步行.對輪式或履帶式車輛也可以用信號處理分辨出來.
根據(jù)各探測區(qū)的要求,可配置25米到1000米的電纜.前置放大器的使用使不定的,變化
的電纜長度具有相同的靈敏度(采用電壓放大器時電纜長時與短電纜比較開路靈敏度較
低).通常,將一個接口和RF發(fā)射器與傳感電纜一道埋入地下,這樣從傳感器來的信號就
可以隱蔽地傳到一個基站.
直接將電纜埋入地表下幾厘米.,在困難條件下要快速安裝通常是不可能的如在預(yù)先準(zhǔn)
備的導(dǎo)管內(nèi)安裝.系統(tǒng)特性明顯的取決于地表下的聲傳輸特性,但我們發(fā)現(xiàn)甚至干燥的
沙土也能得到滿意的探測范圍.圖9顯示一個設(shè)計用于直埋的商用探測/發(fā)射器的例子.圖9:壓電電纜做為一個埋置的周界安全傳感器, 圖10: 埋置壓電電纜,探測
腳步和關(guān)門
包括探測和RF發(fā)射組件
圖10所示曲線來自埋在一個家庭草坪邊緣的壓電電纜,一個孩子從靠近傳感器的地方
走到幾米以外,關(guān)上一個木門,然后走回來.開始和后來的腳步信號可清楚的看到.可以
清楚的看到關(guān)門(在曲線中部)的地面響應(yīng)比腳步聲含有更高的頻率分量.(圖11)顯示海
浪在卵石沙灘上破碎成浪花的(聲音),用25米長壓電電纜埋在高水線以上一定距離.碎
石的噪聲在0到20Hz區(qū)段產(chǎn)生了一個高頻譜能.盡管有這個連續(xù)的低頻”背景”,
一個單個腳步聲仍然可以從其相對幅值和頻率特性清楚地探測到(見圖12,注意X和Y
軸的比例與圖11不同).
圖11: 埋置的25米長電纜探測在 圖12:沙灘上的腳步,與圖11安裝
條件相同
卵石沙灘上破碎的浪花
安裝在籬笆上的周界安全電纜
壓電電纜可固定在各種籬笆上,作為分布式接觸麥克風(fēng)聽攀爬或切割的聲音.安裝的一
個例子見圖13.圖13:在剛性籬笆上安裝話 圖14:剛性籬笆碰撞力的電壓輸出,
筒壓電電纜的例子 用壓電電纜做為接觸

壓電電纜（Piezoelectric Cable）是一種特殊類型的電纜，其導(dǎo)體材料具有壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是指某些物質(zhì)在機械力作用下能夠產(chǎn)生電壓，而在電壓作用下又會相應(yīng)地產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)象。這種電纜的核心特點是其內(nèi)部包含壓電材料制成的線圈或?qū)盈B結(jié)構(gòu)，當(dāng)電纜受到壓力、張力或者振動等機械應(yīng)力時，能夠?qū)⑦@些力學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電信號，反之亦然。 壓電電纜廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如測震、超聲波探傷、醫(yī)療成像（如心電圖和肌電圖）、軍事偵察（例如地雷檢測和潛艇定位）、以及一些高級傳感器系統(tǒng)中，比如用于采集人體生理信號的植入式設(shè)備或用于監(jiān)測橋梁、建筑物健康狀況的結(jié)構(gòu) health monitoring 系統(tǒng)等。通過壓電電纜，我們可以實時獲取與力學(xué)參數(shù)相關(guān)的電信號，實現(xiàn)非接觸式的動態(tài)監(jiān)測和精確測量。