时间：2023-05-30 10:45:11
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇压电陶瓷，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
黄河科技学院信息工程学院河南郑州450006
摘要院采用传统的固相法和普通的烧结方法，制备了不同比例的ZnO 掺杂的(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3 无铅压电陶瓷，通过改变烧结温度的高低，研究ZnO 掺杂对锑酸钾钠基压电陶瓷的压电常数、介电常数和介电损耗的影响，从而获取最佳的掺杂比例和烧结温度。研究表明：当ZnO 的掺杂量x<2.00mol%时，压电陶瓷的压电常数和介电常数均呈上升趋势，介电损耗呈下降趋势。当ZnO 的掺杂量x>2.00mol%时，压电陶瓷的压电常数和介电常数均呈下降趋势，介电损耗成上升趋势。压电常数d33、介电常数着r、介电损耗tan啄通过测定得到如下结论：当烧结温度T=1080益，掺杂x=2.00mol%时，压电陶瓷的压电系数和介电常数达到最好，其中压电常数d33 为77pC/N、介电常数着r为273.58、介电损耗tan啄为2.98%。
关键词 院无铅压电陶瓷；烧结温度；固相法；ZnO 掺杂
1 概述
压电陶瓷已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用[1]。由于铅基压电陶瓷PZT 具有优良的压电性能，从而得到广泛的应用，但是此类压电材料中含有60%以上的有毒物质铅，在压电陶瓷的生产、使用和废弃处理过程中挥发的铅都会对生态环境和人们的健康造成不可估量的伤害，因此人们迫切期盼无铅压电时代的到来[2]。无铅压电陶瓷是指不含铅的压电陶瓷，其更深层含义是指既具有较好的使用性又有良好的环境协调性的压电陶瓷。目前，无铅压电陶瓷可以分为：BNT 基无铅压电陶瓷、KNN 系无铅压电陶瓷、BZT系无铅压电陶瓷，其中KNN 压电陶瓷因为具有优良的压电性能和机械性能，被认为是最具有可能替代PZT 的无铅压电材料。
然而阻碍KNN 压电陶瓷发展的主要问题是传统的方法无法烧结出致密的陶瓷体，大大影响了压电和机械性能，本文选择能够有效降低烧结温度的ZnO 作为掺杂对象。本文采用传统陶瓷工艺制备无铅压电陶瓷，详细探讨了不同比例ZnO 掺杂对KNN 陶瓷烧结特性，包括对显微结构以及电学性能等的影响。
2 实验过程
采用传统的固相法[3,4]制备了(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3-xZnO 压电陶瓷(x = 1.00、1.50、2.00、3.00)。首先，按配比称量分析纯原料：K2CO3、Na2CO3、Li2O3、Nb2O5、Sb2O3、Ta2O5、ZnO、无水乙醇。将原料放入烘箱中在85益干燥2~3h，充分去除水分后迅速放入干燥器皿中冷却至室温。将各原料按照化学式(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3 配比进行配料，然后装入研磨罐中，研磨介质为φ2mm 的锆球进行研磨，以无水乙醇为媒介，用行星式球磨机球磨3~4h，取出烘干，在750益保温2h 完成预烧；再将粉料充分研磨，过筛，加入质量分数为10豫左右的PVA 进行造粒；在5MP 压力下压制成直径15mm，厚l.5mm 的圆片，并分别在1060益、1080益、1095益、1100益保温2h 进行烧结，得到致密的陶瓷片。将陶瓷片的厚度控制在1.00mm 左右，进行磨平。将磨好的陶瓷片均匀的涂上银浆，在750益烧结陶瓷获得被上电极的陶瓷样品，并在90益的硅油中极化，极化电压3耀4kV/mm[5]，极化时间30min，放置1 小时左右，进行测量其相关的性能。用JSM-5900LV型扫描电子显微镜(SEM[6])对样品表面进行观察研究；采用准静态d33测量仪(ZJ-3AN 型[7])测量压电常数d33，用LCR 电桥测试仪（YB2811型）测量损耗。
3 结论分析与讨论
3.1 显微结构分析
由SEM 图可以看出压电陶瓷，在掺杂量相同(x=2.00mol%)，烧结温度不同的情况下（1060益、1080益、1095益、1100益）同种陶瓷样品放大10000 倍后的表面形貌图如图1 所示。由图1(a)可以看出，温度在1060益时，陶瓷表面有明显的孔洞，颗粒表面比较粗糙，致密度较差。从图1(a)、(b)、(c)、(d)可以看出，随着温度的升高致密度呈现先升高后降低的趋势，陶瓷表面的孔洞也呈现先减少后增加的趋势。一般而言，陶瓷晶粒大小会随着烧结温度的升高而增大，但是从陶瓷样品的表面SEM 图可以看出，陶瓷晶粒的大小并未发生太大的变化，这可能是由于掺杂的ZnO 抑制了陶瓷晶粒的长大，在温度T=1100益时，陶瓷表面出现大量的孔洞，这可能是晶体出现液化的原因。
3.2 压电性能分析
图2 为室温下测量的无铅压电陶瓷压电常数随着ZnO 掺杂比例的变化曲线图。由图2 可以看出，随着掺杂量的增加，压电陶瓷的压电常数呈现先增加后降低的趋势。这可能是由于ZnO 在一定程度上抑制了陶瓷晶粒的长大，从而使压电常数也随之增加；但当烧结温度超过一定范围时，ZnO 的抑制作用降低，使晶粒继续增大并出现液化的现象，从而造成压电常数的降低。当T=1080益，x=2.00mol%时，压电常数达到最(d33=77pC/N)。
3.3 介电性能分析
图3 为室温下测量的无铅压电陶瓷介电常数和介电损耗随着掺杂量的变化曲线图。由图3(a)可以看出，随着掺杂量的增加，压电陶瓷的介电常数整体呈现先上升后下降的趋势。当T=1080益，x=2.00mol%时，压电陶瓷的介电常数达到最大（着r=273.58）；这说明随着陶瓷体致密度的增加压电陶瓷的介电常数也会增加。反之介电常数也会降低。同时由图3(b)可以看出，压电陶瓷的介电损耗呈现先降低后增加的趋势。同时，当T =1080益，x=2.00mol%时，介电损耗也达到最小（tan啄=2.98%）。压电陶瓷的介电损耗与陶瓷体的致密度有关，也与微观结构和显微形貌有关，晶粒排列紧密，晶界对电畴的夹持效应小，电畴转向过程中耗能少，介电损耗就会变小，反之介电损耗就会增加。
4 结论
采用传统固相法陶瓷工艺制备了(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3无铅压电陶瓷；用SEM 观测了样品的表面具体（10滋m）形貌，并且测量了相关的压电和介电性能。研究结果表明：
淤在ZnO 的掺杂比例一定时，随着温度的升高，陶瓷的压电常数呈现先升高后下降的趋势，当T=1080益，x=2.00mol%时，压电常数到达最大（d33=77pC/N）。这是由于ZnO 在一定程度上抑制了晶粒的长大，从而使陶瓷的压电常数也随之增加；但当温度超过一定的范围时，ZnO 的抑制作用降低，而使晶粒继续增大，从而造成压电常数的降低。
于通过改变ZnO 的掺杂量，也使压电陶瓷的介电常数整体呈现先上升后下降的趋势，当T=1080益，x=2.00 时，压电陶瓷的介电常数达到最大（着r=273.58）。这是由于随着陶瓷体致密度的增加压电陶瓷的介电常数也会增加。反之介电常数也会降低。
盂ZnO 的添加一定程度上改善了陶瓷的介电损耗，介电损耗整体呈现先降低后升高的趋势，当T=1080益，x=2.00 时，介电损耗达到最小（tan啄=2.98%）。这是由于压电陶瓷的介电损耗与陶瓷体的致密度有关，同时也与微观结构和显微形貌有关，晶粒排列紧密，晶界对电畴的夹持效应小，电畴转向过程中耗能少，介电损耗就会变小，反之介电损耗就会增加。
参考文献：
[1]张东升.(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)O3 陶瓷的压电性能[J].硅酸盐学报，2014(4):444-447.
[2]郭汝丽,方亮,周焕福等.低温烧结ZnO 压敏陶瓷研究进展[J].电子元件与材料,2011,30(10):80-82.
[3]S.Shah,M.S.Ramachandra Rao.Preparation and dielectric studyof high-quality PLZTx=65=35 (x=6,7,8)ferroelectric ceramics[J].J.Appl.Phys.2000,(71):65-69.
[4]B.贾菲等著.压电陶瓷.林声和译.北京:科学出版社,1979:1.[5]Wood,A.Polymoprhism in Potassium niobate,sodium niobate,andother ABO3.
[6]莫其逢,黄创高,田建民,高英俊.原子力显微镜与表面形貌观察[J];广西物理，2007(02).
PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器的制作主要采用了陶瓷胚胎流延成型和一定的金属内极电共烧的技术，具有体积小、工作电压低，且位移量大等方面的特点。本文通过对PZT概念以及试验的方法整理研究，对PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能的实验进行了科学的研究。
【关键词】PZT 压电陶瓷微驱动器
压电陶瓷微驱动器在一定程度上在逆压电效应的基础上制作的新型固态执行器，并且普遍应用在众多的高新技术领域中，如精密光学、微电子技术以及电子计算机等。而这些领域的要求促使着压电陶瓷微驱动器逐渐朝着小体积、低驱动电压、大位移量以及集成化的方向大力的发展。近年来，随着陶瓷胚胎流延成型和金属内极电共烧技术的发展和日渐成熟，适合大规模生产、性能优良的PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器应运而生，有效的克服了陶瓷分层现象，最大限度的延长了器件的使用寿命。
1 PZT概述
PZT是一种性能优异的铁电材料，在介电、铁电、压电以及热释电等方面的效应十分良好，普遍应用在非挥发性的动态随机存贮器的制作当中，并且在电子材料中的地位日渐突出。近年来，随着社会经济发展水平的日益提高，微机电系统获得了更多的发展空间，PZT铁电薄膜凭借较高的高压电常数等方面的优势而受到广泛的重视，在微型传感器和驱动器中都有所涉及，在很大程度上已经逐渐成为微机电系统中常用的传感和驱动材料。
2 试验
2.1 多层片式压电陶瓷微驱动器
多层片式压电陶瓷微驱动器的制作所需要的工艺步骤非常繁杂，具体如下：
（1）利用电子陶瓷的制备工艺可以得到PZT三元系压电陶瓷粉体，其软性的压电应变系数相对较大。
（2）严格按照一定固液比例实现陶瓷粉体和有机剂的充分混合，均匀的陶瓷浆料由此得到，然后将其放置在流延机的料斗里进行有效地流延，通过对括刀的高度进行合理的调节以及有机载带速度的有效控制，由此制作出来的流延胚胎不仅质地均匀、高度适中，而且非常致密。
（3）把流延胚胎膜冲成各种形状，一面将带图案的电极浆料印刷上，然后将其按照一定的顺序统一放置在特制的模具里采用层叠形式使其能够成型，由此就会得到一个呈多层片状式的含有电极的陶瓷胚体。
（4）严格按照器件具体的作用面积将制作好的陶瓷胚体进行切割，并切割成多个多层的器件胚体，然后将全部的胚体一起放入到一定的坩埚中慢慢排塑，经过高温封闭式的烧结以后，便会得到含有内极的多层片式陶瓷器件。
（5）最终经过研究流延厚膜以及高温内的电极共烧工艺，获得了作用面积在30mm，总厚度在2mm的多层片式压电陶瓷微驱动器。
2.2 样品测试
陶瓷单片压电的应变系数主要是中科院研制的Berlincourt测量仪，用中科院生产的电子显微镜对多层器件微曲的显微结构进行科学的观察，同时用中原量仪厂生产的DGS-6型数显电感测试仪对多层片式压电陶瓷微驱动器的位移值进行科学的测量。
3 结果和讨论
对于受恒定外加应力的压电陶瓷单片而言，当在垂直于其极化方向的表面施加一定电压的时候，压电形变为线性形变时，由压电方程式可得出压电所产生的位移，且通过实验的进一步得知压电的应变系数在很大程度上与厚度没有任何关系，反倒与电压成正比关系。因此，当电压加到一定程度时，并且多层陶瓷片内外电极连接的具体结构形式就可以进行机械之间的并联和串联，如图1，进而就会极化陶瓷层，相应的还会得到相邻陶瓷片的极化的具体方向，取相反的方向就能够得到极化的具体结构形式。如此一来，当多层压电陶瓷微位移器通过外加工作电压时，就能够得到纵向位移的叠加。
与此同时，通过观察可以发现在陶瓷层中存在着许多大小为微米的细小气孔，根据实验可得知这主要与陶瓷流延胚膜中的粘结剂等有机物分布不均匀造成的。当陶瓷内的电极呈现共烧时，会促使有机物出现一定的挥发现象，气孔便由此形成。但是气泡在PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器中对于陶瓷层机电的特性不会造成任何的影响，并且这个结果与流延法在PBNN硬性压电陶瓷制备时的机电系数基本保持一致。除此以外，压电陶瓷中的电偶极子以及电畴无论是在直流电压还是在100Hz～5kHz的频率范围内都能够进行同样的伸缩以及方向的转换，并且位移量不会随着频率的改变而出现相应的改变。
综上所述，通过研究宽带凭平坦方面的动态位移证明，电偶极子和电畴的位移量不会随着频率的变化而发生相应的改变，对精密动态位移的有效控制是应用多层片式器件的重要方式，这对于多层片式压电陶瓷微驱动器的具体应用具有非常重要的意义。通过实验可以进一步证明多层片式压电陶瓷微驱动器作为新型的固态执行器件，在位移方面不仅响应快，并且频谱相对比较平坦，且具有体积非常小，工作时电压极低的显著优势。利用逆电压效应有助于压电体微观性能的研究，其主要方法是利用压电陶瓷在电场作用下电偶极子以及电畴所引起的位移量的变化规律，并且在一定程度上也有利于获得随频率变化的压电系数。
参考文献
[1]李国荣，陈大任，张望重，张申，沈卫，殷庆瑞.流延成膜技术制备高性能多层片式压电陶瓷微驱动器研究[J].硅酸盐学报，1999（05）：533-539.
[2]李国荣，陈大任，殷庆瑞.PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究[J].无机材料学报，1999（03）：418-424.
[3]吕岩.基于PZT压电薄膜的微驱动器研究[D].大连：大连理工大学，2006.
[4]李宏.新型压电微驱动器在光学微机电系统中的应用研究[D].成都：四川师范大学，2012.
关键词：交通传感器；压电陶瓷；输出
中图分类号：U495；TH82 文献标识码：A 文章编号：1671-4431(2011)02-0063-04
交通事故是影响交通系统效率的重要因素。对于行驶中的车辆，可监测车辆行驶状态、车重、道路交通状况，根据路段的具体情况(路段弯直、坡度、路面材料种类等)和天气条件，通过控制车辆速度及行驶路线降低交通事故发生概率。目前可用于车辆状态监测的手段包括视频传感、卫星遥感、光学阻断式传感、电磁传感、压力传感等，但是视频技术受天气限制，卫星传感不能实现实时监测，微波传感功能单一，电磁传感监测精度差，因此能够满足这一功能的交通传感器是压电式交通传感器。压电式交通传感器是以压电石英晶片、聚合物压电材料或碳纤维混凝土(水泥砂浆)为敏感材料的新型交通传感器，能够实现对车辆运动属性(车速、车辆行驶路径等)和特征属性(车轴数、轴距、车轮数等)和车重的监测Ⅵ。但是压电石英晶片的压电常数d50只有目前高性能压电陶瓷的几十分之一，输出信号小，对于数据采集系统的要求高；聚合物材料的适用温度范围较窄(最高80℃)，成本高；碳纤维混凝土(水泥砂浆)的性能随着时间变化而变化。针对以上问题，制备了以目前常用的高性能PZT和PLMN型压电陶瓷为敏感材料的交通传感器，并研究了压力等级、荷载作用时间、环境温度及疲劳荷载对传感器输出的影响，对传感系统的研究开发和实际应用进行探索。
1 传感器制备及试验
PZI型压电陶瓷采用自制PZT5型压电陶瓷压缩片，直径12mm，厚度2mm，d33=370×10-12～390×10-12C／N，10倍时间老化率1.5％；PLMN型压电陶瓷采用保定市宏声声学电子器材有限公司生产的PLMN型高温压电陶瓷片，直径12mm，厚度2mm，d50=260×10-12～300×10-12C／N，10倍时间老化率2.7％。
传感器器件及传感器结构如图1所示。传感器敏感材料为PZT、PLMN型压电陶瓷，以氧化铝陶瓷作为封装片(同时兼有传力作用)，传感器密封材料为改性环氧树脂。试验在MTS高温陶瓷试验系统上进行。试验中采用电荷放大器进行信号放大，并配套电脑自动数据采集仪，以及相应的数据采集与处理软件进行数据的采集。每种传感器制备两个，一个用于疲劳试验，另一个用于其它试验。
2 结果与讨论
2.1 单调加载下的输出特性
图2是两种传感器20℃时在不同压力下的输出曲线。从图2(a)中可以看出，PZT型传感器的输出信号与压力有着非常好的线性关系，线性回归分析可知回归置信度为0.9911。图2(b)结果表明，PLMN型传感器的输出与压力之间不存在线性关系。在压力小于1.6MPa时，传感器的输出随着应力的增大而增大，而在压力大于1.6MPa以后，传感器的输出随着应力的增大而减小。
2.2 载荷作用时间对输出特性的影响
图3是温度为20℃时，荷载作用时间对于两种传感器输出～荷载比的影响曲线图。图3(a)的结果表明，在相同应力下，荷载作用时间越短，PZT型传感器的输出一荷载比越大。但在加载时间小于0.1s时，输出荷载比保持相对稳定。由于传感器的尺寸非常小，运行中的车辆对传感器的作用时间远小于0.1s。因此，PZT型交通传感器应用于交通监测时基本不用考虑车速对传感器输出的影响。而从图3(b)可以看出，对于PLMN型传感器，加载时间对输出一荷载比的影Ⅱ向规律与PZT型传感器差别很大，相同荷载作用时间下，输出一荷载比并不随荷载增大而增大，且荷载作用时间小于0.1s时，输出荷载比仍有较大的变化。
2.3 环境温度对输出特性的影响
图4(a)是PZT型传感器在不同温度下的输出压力曲线。图4(a)结果表明，在不同温度下，PZT型传感器的输出与压力之间都有着较好的线性关系。回归可得60℃、20℃、0℃、-20℃下输出与压力的线性置信度分别为0.9732、0.9911、0.9903、0.9950。虽然PZT型传感器在不同温度下的输出与荷载都有较好的线性关系，但是不同温度下的线性置信度以及输出的大小相差较大。置信度基本上随着温度的升高而减小。此外，从图4(a)中4条曲线还可看出，相同压力下的传感器输出并不是随着温度的变化单调变化，在60℃、20℃、0℃3个温度下，传感器输出随着温度的升高而增大，但是-20℃时的输出比0℃时高。图4(b)为PLMN型传感器在不同温度下的输出压力曲线。图4(b)中结果表明，PLMN型传感器输出在各种温度下的输出表现出与PZT型传感器相似的规律。PLMN型传感器在各温度下的输出与荷载之间的线性关系相对PZT型传感器差得多。
2.4 疲劳荷载对输出特性的影响
图5(a)、图5(b)分别为PZT型和PLMN型传感器经过疲劳荷载后的输出一压力曲线图。从图5中可以看出，无论是PZT型传感器，还是PLMN型传感器，经过50万次和100万次后的输出与疲劳试验前的差别非常小，如果考虑试验误差，可认为疲劳荷载对传感器的输出没有影响。
3 结论
a.基于PZT和PLMN型压电陶瓷的交通传感器50万次和100万次疲劳荷载后应力一输出电压输出特性和初始时比较基本没有变化，表明在车流量非常密集的情况下智能传感器仍会有精确可靠的输出，长期用于高速公路信息的采集具有很好的稳定性；且两种传感器在加载时间小于0.2s时输出电压的大小基本上保持稳定，用于高速公路信息采集时传感器输出基本不受车速的影响。
Abstract： With the continuous development and progress of society， the demand for energy is becoming more and more important， and the energy is becoming more and more urgent. In order to effectively develop and utilize the energy in the environment， this paper designs a kind of pressure energy collecting experimental device based on MSP430 single-chip by using piezoelectric ceramics， and measures the relevant data.
关键词： 能源；压力能；压电陶瓷
Key words： energy；pressure energy；piezoelectric ceramics
中图分类号：P754.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）24-0152-02
0 引言
能量收集是一个新概念，源于能源危机，与传统发电机产生电能的不同之处在于，它是将环境中人们未能利用的能源转换成可供人类使用的电能并存储，以实现能源的回收和再利用。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，称之为压电效应，我们就是利用了这个性质，在此基础上设计了相应的能量转换收集储存机构。
1 整体设计思路
压电陶瓷在受到一定的振动力的情况下，会将压力能转化为电能，振动是自然界常见的现象，例如海水的拍打、车站人流的脚步等都可以产生振动，由于其几乎无处不在而且具有较高的能量密度的特点，所以，我们可以将这种压力能用压电陶瓷收集，然后，储存利用，具体实现原理如图1。
现对主要模块的工作原理做简单介绍：
①振动产生的压力能。
根据使用场合由外界决定，例如，此装置安装在火车站进站口的位置，人体的重量及走动的频率就决定了压力能的大小；
②能量转换模块。
压力能经过能量转换模块，也就是压电陶瓷，转化为电能，具体结构在下文中有详细的讲解；
③储能元件。
用于储存收集的电量，为了更好地收集零散的压力能，要求储能元件具有快速充放电功能，故选择超级电容器。
④能量收集模块。
其主要任务是将能量转换模块输出的电能进行整流处理并收集储存。此模块的整流处理部分是通过LTC3588-1压电能量收集芯片和芯片对应的电路完成。LTC3588-1可以直接与能量转换模块连接，在芯片内部有一个整流模块，通过该模块对能量转换模块输出的电压波形整流，在超低静态电流（450nA）欠压闭锁（ULVO）模式下，将整流后的电流暂时储存至CAP管脚外接的电容，同时通过一个内部并联稳压器吸收多余的功率。当电容储存的电量达到设定值之后，通过降压型转换器输出电压。当有负载时，输出电压可以直接驱动负载；当没有负载时，将输出的电能储存至储能元件。
⑤能量采集模块。
信号采集模块的主要功能是采集能量收集模块中的储能元件的电信号，以此来判断能量收集状况。此模块主要使用MSP430G2553单片机，它是一款超低功耗混合信号微控制器，具有内置的一个10 位模数 （A/D）转换器、16位定时器、16个触摸感测的 I/O引脚、一个多用途的模拟比较器以及通用的串行内置通信能力。
⑥显示模块。
显示模块的作用是将采集模块经过处理后的数据清晰了然的呈现出来，方便测试人员观察、操作。此模块是利用了MSP430单片机的外接设备，LCD12864液晶屏。
2 机械结构设计
由于压电陶瓷收集压力能的结构目前还没有实际的应用，而且，即使要使用也许要大面积铺设才能见效，所以，为了测试其可行性，我们设计了一种小型试验设备，所选用的压电陶瓷为PZT-5H材料，为了提高电流，将其并联连接，具体实物图如图2所示。
将压电陶瓷并联固定于底座上平面上，用拍击柱模拟人体行走所产生的振动冲击，拍击柱固定于拍击板上，拍击板和推杆间隙配合，轴向固定，这样，电机带动凸轮运动，凸轮带动推杆做轴向移动，同r，拍击板和拍击柱也沿轴向移动，由于拍击板和推杆是间隙配合，所以，拍击柱给压电陶瓷拍击力的位置是随机的，满足人在行走过程中给地面的随机振动力的形式。
3 数据分析
为了得出具体的数值，现设定电机转速为20r/min；拍击高度为25mm；拍击板和拍击柱的重量和为0.8kg；采用8片压电陶瓷，平铺面积大约0.09m2；测试超级电容的电压每隔10分钟的变化情况，具体数值如表1所示。
将这些分散，不规则的压力能收集是一个新的理念，虽然，发电量不是很高，但是作为辅助能源收集装置，是可以考虑利用的，我们可以用来照明或给小型电器充电，同时，压电陶瓷的发展还处于初级阶段，随着新技术的不断引进，压电陶瓷技术也会得到完善和发展，会推动压力能收集技术的进步。
4 结束语
压力能收集是开发能源利用的一个新的开端，压力能收集装置的设计还有很大的发展空间，随着技术的不断发展，压电陶瓷材料的不断改进，压力能收集会是以后能源利用的一个重要分支，我们应该探索更广泛的应用空间。
参考文献：
[1]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2010.
[2]杨拥民，张玉光.基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及展望[J].中国机械工程，2009.
[3]曾平，佟刚.压电发电能量储存方法的初步研究[J].压电与声光，2008.
[4]许小刚，阳宇希.提高振动发电机充电效率实验研究[J].传感技术学报，2008.
关健词：电子陶瓷；材料；发展前景
1 引言
电子陶瓷是广泛应用于电子信息领域中的具有独特的电学、光学、磁学等性质的一类新型陶瓷材料，它是光电子工业、微电子及电子工业制备中的基础元件，是国际上竞争激烈的高技术新材料。
电子陶瓷可分为绝缘陶瓷、导电陶瓷、光学陶瓷和磁性陶瓷四大类。随着现代通讯、光电子、微电子、生物工程、智能制造和核技术等高科技的快速发展，对电子陶瓷元器件的要求也愈来愈高，高性能复合型电子陶瓷材料的研究越发引起了世界工业先进国家的重视。
现代科学技术的加速发展对电子陶瓷材料提出了严峻的挑战，也为这一领域的研究和发展创造了新的机会。在市场信息的引导下，传统电子陶瓷材料的改性研究和新型电子陶瓷材料的研发使用受到重视，日益显示出广阔的市场前景和强大的经济效益。
2 电子陶瓷发展动向
从20世纪初期开始，电子陶瓷材料的发展过程经历了由介电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、快离子导体陶瓷、高温超导陶瓷到高性能复合型电子陶瓷的一个转变。近年来，随着厚膜、薄膜技术以及高纯超微粉体技术的研究突破以及探索信息技术、微电子技术、光电子技术等高新技术的发展，人们在电子陶瓷材料与器件的一体化研究与应用、传统材料的改性等方面都开展了广泛深入的研究，电子陶瓷已成为当前材料研究者关注的热点。
随着电子信息技术的高速发展，电子陶瓷材料由传统的消费类电子产品向数字化的信息产品比如计算机、数字化音视频设备和通信设备等应用领域转化。为了满足数字技术对陶瓷元器件提出的一些特殊要求，世界各国的研究机构及大学都在功能陶瓷新材料、新产品、新工艺方面投入大量资金进行研究开发。其中新型电子陶瓷元器件及相关材料的发展趋势和方向主要体现在以下几个方面。
2.1 技术集成化
在原有工艺的基础上，电子陶瓷材料制备技术的开发也结合了现代新型工艺的复合工艺。其中，多种技术的集成化是电子陶瓷材料制备技术的新发展趋势，比如纳米陶瓷制浼际跫澳擅准短沾稍料、快速成形及烧结技术、湿化学合成技术等都为开发高性能电子陶瓷材料打下了基础。随着多功能化、高集成化、全数字化和低成本方向发展，很大程度上推动了电子元器件的小型化、功能集成化、片式化和低成本及器件组合化的发展进程。
2.2 功能复合化
在激烈的信息市场的竞争中，单一性能的电子陶瓷器件逐渐失去了竞争力，利用陶瓷、半导体及金属结合起来的复合电子陶瓷是开发各种电子元器件的基础，它是发展智能材料和机敏材料的有效途径，同时也为器件与材料的一体化提供重要的技术支持。
2.3 结构微型化
目前，电子陶瓷材料与微观领域的联系不断深入，其研究范围也正在延伸。基于电子陶瓷的微型化和高性能正在不断出现，比如在微型化技术和陶瓷的薄膜化的联合运用以生产用于信息控制的高效微装置，电子陶瓷机构和装置尺寸减小的趋势是得益于微型化技术发展而出现的。目前元器件研究开发的一个重要目标是微型化、小型化，其市场需求也非常大；片式化功能陶瓷元器件占据了当前电子陶瓷无元器件的主要市场；比如片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻、多层压电陶瓷变压器等。要实现小型化、微型化的话，从材料角度而言，在于提高陶瓷材料的性能和发展陶瓷纳米技术和相关工艺，所以发展高性能功能陶瓷材料及其先进制备技术是功能陶瓷的重要研究课题。
2.4环保无害化
近年来，随着人类社会的可持续发展以及环境保护的需求，发达国家致力研发的热点材料之一就是新型环境友好的电子陶瓷。作为重要的功能材料，被广泛应用于微机电系统和信息领域的新型压电陶瓷，比如多层压电变压器、多层压电驱动器、片式化压电频率器件、声表面波（SAM）器件、薄膜体声波滤波器等器件也不断被研制出来。
3 电子陶瓷应用前景
3.1电绝缘陶瓷的应用前景
电绝缘陶瓷因具备导热性良好、电导率低、介电常数小、介电损耗低、机械强度高、化学稳定性好等特性，被广泛应用于金属熔液的浴槽、熔融盐类容器、封装材料、集成电路基板、电解槽衬里、金属基复合材料增强体、主动装甲材料、散热片以及高温炉的发热件中。
在电子、电力工业中，绝缘陶瓷比如电力设备的绝缘子、绝缘衬套、电阻基体、线圈框架、电子管功率管的管座及集成电路基片等主要是用于电器件的安装、保护、支撑、绝缘、连接和隔离。
由于陶瓷的绝缘性主要由晶界相决定，为了提高绝缘性，应尽量避免碱金属氧化物的存在，而且玻璃相应尽量是硼玻璃、铝硅玻璃或硅玻璃。一般来说，陶瓷内部气孔对绝缘性影响不大，但陶瓷表面的气孔会因被污染或吸附水而使表面绝缘性变差，所以绝缘陶瓷应选择无吸水性，气孔少的致密材料。
3.2介电陶瓷的应用前景
介电陶瓷因具有高强度、介电损耗低、耐热性、稳定性等特点，目前被广泛应用于集成电路基板的制造材料。比如氧化铍、氧化铝、氮化铝及碳化硅等可普遍作为集成电路基板的陶瓷材料，其中氧化铍因制造工艺复杂、毒性大及成本高等原因限制了它的使用；而碳化硅的导热性虽然优于氧化铝，且通过热压方法制成的高性能基板，在200℃左右时其性能仍能满足实用要求，但由于热压烧结工艺复杂及添加剂有毒，也限制了它的发展；氮化铝的其他电性能虽然和氧化铝陶瓷大致相当，但其热传导率却是氧化铝瓷的10倍左右，所以极有可能成为超大规模集成电路的下一代优质基板材料。
关键词：SECM；宏微定位；驱动电路
引言
扫描电化学显微镜(SECM)是80年展起来的一种电化学现场检测新技术。该技术驱动非常小的电极(探针)在靠近样品处进行扫描，样品可以是金属、半导体、高分子、生物基底等材料。SECM具有化学灵敏性，可测量微区内物质氧化或还原所产生的电化学电流，从而获得对应的微区电化学和相关信息。它主要由电化学部分(电解池、探头、基底、各种电极和双恒电位仪器)，用来精确地控制、操作探头和基底位置的位移驱动器，以及用来控制操作、获取和分析数据的计算机(包括接口)等三部分组成，SECM系统原理如图1所示。
位移驱动部分是通过超精密定位技术(UMDE)实现对探针的三维空间微位移的精准控制，操纵探头和基底间保持相对稳定，以便获得样品表面信息。它既是SECM控制系统的基本组成部分，也是SECM实现纳米级分辨率的关键技术之一。为了获取样品尽可能完整的信息，要求驱动位移空间相对样品有较大的量程，可达到厘米级别。同时高分辨率要求必须是超精密定位，分辨率可达到亚微米。因此，SECM的驱动部分采用宏微两级位移控制系统。宏定位采用步进电机，微定位采用压电陶瓷。一个好的驱动控制电路是影响SECM位移精度的关键因素，因此本文着重于设计二级位移系统的控制电路。
步进电机宏定位
步进电机作为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。由于可以通过控制离散的脉冲个数来控制角位移量，从而可以满足SECM准确宏定位的目的。步进电动机的控制占用大量的CPU工作时间，会影响了系统的整体性能。本驱动系统设计采用一种基于ARM微控制器的由L298构成的控制和驱动电路，既不占用CPU大量的时间，又能获得良好的控制和驱动效果。
SGS公司的L298步进电机控制器的片内PWM斩波电路产生开关式控制绕组电流。该器件的一个显著特点是仅需时钟、方向和模式输入信号。步进电机所需相位由电路内部产生，它产生两相双极性驱动信号和电机电流设定。L298内含两个高电压大电流双桥式驱动器，可驱动电压最高46V、每相2.5A的步进电机，组成的两相双极性的步进电机驱动电路，原理如图2所示。由ARM芯片LPC2138输出PWM信号，经过光电隔离器TLP521-2，再与两个10口组合送入双输入四与门74LS08实现正反转控制。SECM需要三维驱动，此处只画出一路电路。
压电陶瓷微定位
压电陶瓷驱动电源
压电陶瓷是利用电介质在电场中的压电效应，直接将电能转换成机械能，产生微位移的换能元件。因其高刚度、高频响、推力大和高分辨率等优点，广泛应用于航空航天、精密测量、生物工程、机器人等领域。驱动电源对压电陶瓷和机构的微位移影响很大，故性能良好的驱动电源是实现高精度位移的关键。压电陶瓷对驱动电源要求如下：一定范围内连续可调、输出稳定性好、纹波小、分辨率高。
压电陶瓷驱动电源从原理讲可以分为电压控制型和电荷控制型。这里采用电压控制型，由直流放大器芯片对控制电压信号进行线性放大和功率放大，输出0～150V连续可调的直流电压。它决定着电源输出电压的分辨率和稳定性，是整个电源的关键。
高压运放电路
Apex公司的PA69是一个高压、高速功率运算放大器，可采用单，双电源供电；转换速率非常高，可达到200 V/μS；可以提供高达50mA的恒定输出电流，其峰值输出电流达100mA。PA69待机电流很小，一般不到1mA；具有限流保护功能。
选用的压电陶瓷等效电容为0.1μF，需要0～150V的连续可调输出电压，频率0～1 kHz(正弦波)，则所需转换速率为：
S.R=2∏fV(1×10-6)=2π×1000×150×(1×10-6=0.94V/μS
所需最大负载电流为：
I=S.R×CL=0.94V/μS×0.1μF=94mA
所选定的PA69运算放大器符合要求，电路如图3所示。其中引脚6、7为输入，2为输出，3和10以及8和1l外接补偿电阻和电容，构成相位补偿网络，实现相位补偿。1和2引脚之间接限流电阻，形成对运放的限流保护功能。
失调电压补偿
在室温(25℃)及标准电源电压下，输入电压为零时，为使集成运放的输出电压为零，在输入端加入失调电压Vio。实际上指输入电压V=O时，输出电压Vo折合到输入端的电压是负
值，即Vio=-(V。lvk0)/Aio。
PA69的最大失调电压为3mV，对分辨率要求为10mV以下的压电陶瓷驱动电源，PA69的输入特性不能满足设计要求，需要对电路的前级输入进行优化。为了减小输入失调电压，在该电源的线型放大部分，采用由OP07和PA69组成复合放大电路。MAXIM公司的OP07具有高精度输入失调电压，最大为为75μV。由PA69和OP07组成一个新的具有负反馈的放大器，其输入失调电压为75μV×30=1.5mV
放大器的输入电压为0-5V，输出电压为0-150V，故根据特性曲线选定PA69的闭环放大倍数为30。整体电路如图3所示。
实验及结论
压电陶瓷步进电机经过机械装配后，采用以上电路进行实验，测得精密定位仪最大量程可达2.5cm，最小分辨率可达lOnm，较好地满足了SECM对探针的定位要求，在实验中得到了很好的应用。
参考文献：
1.邵元华，扫描电化学显微镜及其最新进展，分析化学，1999,(11)
2.穆纪干、毛秉伟、卓向东、颜恩柔，扫描电化学显微仪一电子控制系统的研制，厦门大学学报(自然科学版)，1994,(S1)
关键词：洁牙机换能器 压电换能器 加压力矩 等效电路 导纳圆
1.序言
洁牙机换能器是超声洁牙机的关键部件，其性能直接影响洁牙机性能，在研究测试中发现，对洁牙机换能器的施加不同力矩时，洁牙机换能器的性能有很大的影响。本文采用导纳圆方法对洁牙机换能器进行研究，找出其合理的加压力矩。
2.洁牙机换能器
洁牙机换能器利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声波发生器产生的超声电能转换成超声振动的机械能，并通过变幅杆进行振幅放大后传输到工作尖上，利用超声波在水里产生“超声空化” [1]以及工作尖纵向振动达到去除牙斑、粉碎牙结石的目的。
洁牙机换能器主要包括：超声发生器、后盖板、压电陶瓷、电极片、变幅杆和工作尖等组成。由超声波发生器产生一定频率的交流电压信号，施加到压电陶瓷片上，利用压电陶瓷片的逆压电效应，转换为沿轴向机械振动，机械振动经过变幅杆放大作用后，在工作尖末端，转换为振动幅度达到20微米至40微米机械振动。
3.等效电路法
等效电路方法利用力学、电学以及声学现象存在的规律及微分方程数学表述上的相似性，将力学与声学系统转化为直观的电路系统，是研究多物理场系统的一种有效方法。[2]
通常压电换能系统都有若干振动模式，每种模式对应各自的谐振频率。若离某一谐振频率很远的频带上其它谐振的影响较小，则在力—电压模拟系统中，任意振动模式的压电换能系统在此谐振频率附近的集总参量可表示为如图2 所示的等效电路图[3]
由图2可以看出，等效电路是由并联支路和串联支路组成，在并联支路中，R0 为反映压电换能系统介电损耗的等效电阻，其值通常很大，C0 为受夹持压电振子（没有压电应变量）的两级间等效电容，其大小与换能系统的介电常数ε 和压电陶瓷片的长、宽、厚有关。动态电感L1、动态电容C1和动态电阻R1 串联组成动态支路。
在图2 中，设Y 表示换能系统等效电路的总导纳，Y0 和Y1 分别为静态导纳和动态导纳，则等效电路的总导纳Y 为：
其中：Y0 和Y1 分别表示换能系统的并联电路的导纳和串联电路的导纳。G 和B 分别表示换能系统的总电导和总电纳。G1 和B1 分别表示串联电路的电导和电纳。
消去式中的ω 得：
在谐振频率附近， 换能系统的导纳随频率变化的轨迹是一个圆， 圆心位于 ，半径为1/（2R1），可得到如图3所示的导纳圆， 利用导纳圆图，可以求出压电换能器的等效电路和其他一些重要的参数，从利用导纳圆计算等效电路各特征参数，得到换能系统动态特性紧密相关的主要参数如：
静态电阻、静态电容、动态电阻、动态电感、机械品质因数Qm 和有效机电耦合系数Keff等
4.实验测量原理和结果
以 28kHz洁牙机换能器为分析对象。
将后盖板固定在专用夹具上，用扭矩扳手从1N.m 增加到8N.m 逐渐拧紧变幅杆，每增加1N.m 后，分别专用仪器测试。数据详见表1
4.1静态电容C0与加压力矩T之间的关系
关键词：亥姆霍兹共振腔；共振频率；光电开关；自动排放；LabVIEW
中图分类号：TTP272 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）31-7589-03
家用洗手间会采用放置固体芳香剂或喷洒空气清新剂的方式改善空气的味道，公用洗手间会用点燃蚊香的方式。这些方式存在资源浪费、效果不佳的缺点。本文设计了一个基于亥姆霍兹共振腔的香味自动排放装置，当不使用洗手间时，没有香味排出；如果有人使用洗手间，光电开关自动触发单片机，产生亥姆霍兹共振腔的共振频率信号，在共振频率下，共振腔内的剧烈的空气振动会推动出口处的空气，腔内放置的香料的香气就会散发出来。单片机设置香味排放两秒，两秒后自动停止排放，既能有效地排放出香味，又避免了浪费。
1 排放原理
对于一个亥姆霍兹共振腔而言，当其内部空气受到声波的作用时，在声波波长远大于共振腔几何尺度的情形下，可以认为共振腔内空气振动的动能集中于管道内空气的运动，势能仅与腔体内空气的弹性形变有关。这样，这个共振腔是由管道内空气有效质量和腔体内空气弹性组成的一维振动系统，因而对施加作用的波动有共振现象，其共振频率为：
[f=ω2π=c2πSlV]
公式中[f]是亥姆霍兹共振腔的最低共振频率，[c]是声速，[S]是管道的截面积，[l]是短管的等效长度，[V]为空腔体积[1]。
本排放装置在亥姆霍兹共振腔的基础上做了一些改装[2]，改装后的腔体如图1所示，采取的玻璃腔的规格为：25cm*12.6cm*12cm。玻璃腔的玻璃厚度为5mm。在底部开有一个5cm的大孔作为产生声波的扬声器的接入口。在顶部开着9个直径为6mm的排气孔。由公式计算出玻璃腔的共振频率约为142Hz。图2是不同频率的排放效果（为了便于观察，用蚊香片代替香料进行实验）。
由图2知，当扬声器振膜的振动频率与共振腔的共振频率一致时，产生谐振，剧烈而高速的空气振动在管道出口用力推动管道里的空气，排放效果最为明显；扬声器工作在其它频率时，蚊香片的烟几乎不能排放出来。
2 系统介绍
本系统的框架图如图3所示。信号发生器产生的信号经过功率放大器放大后作为扬声器的驱动信号，亥姆霍兹共振腔放置在封装后的扬声器上，共振腔的底部开孔作为扬声器的接入孔。为了验证共振腔的共振频率是否对应于排放效果最为明显的扬声器的振动频率，采用压电陶瓷片、数据采集卡以及LabVIEW软件作为数据的采集与分析装置。利用光电开关，实现自动化控制。在共振腔内放置好芳香剂，当光电开关检测到活动的人时，自动触发单片机，启动正弦信号发生器，使扬声器产生亥姆霍兹共振腔的共振频率信号，此时共振腔就会排放出香味。
1）信号发生器
信号发生器的输出信号为正弦信号，进行功率放大后驱动扬声器工作，产生声源作为腔体工作的能源。用单片机设计了一个频率和峰峰值都可调的简易信号发生器[3]。使用排放装置时，信号发生器按照与共振腔的共振频率一致的频率来工作。
2）扬声器
本实验采用的扬声器规格为：4[Ω]、3W。这样的小功率扬声器能大大减少能量的消耗，通过功放的作用让较低电压的信号输入便足以驱动扬声器的工作。
3）光电开关检测装置
在单片机程序中，把红外检测装置的触发方式设为可重复触发，光电开关的信号输出端接单片机的外部中断输出口，并设置单片机的外部中断触发方式为脉冲触发[4]。当光电开关感应到有人活动时，信号输出端输出一个高电平（在此之前程序默认为低电平）并持续几秒，之后当人静止时信号输出端输出低电平，当人再次活动时信号输出端再次输出高电平并持续几秒。此时标志变量置1，外部中断被触发，信号发生器启动，并持续工作2秒，2秒后定时器中断程序将标志变量清零。这样就实现了有人使用洗手间时，系统自动排放香味并持续2秒。
4）压电陶瓷检测和数据采集分析装置
利用蚊香片进行实验，当扬声器的振动频率与共振腔的共振频率一致时，从视觉上看，排放的效果达到最佳。为了进行定量分析，采用具有压电效应的压电陶瓷作为检测的工具。用一块小木板将两块压电陶瓷片固定在共振腔上，压电陶瓷片放置在排放孔处，当有气体排出时，会冲击压电陶瓷片，使其产生形变，从而产生电压信号。通过NI-USB6009数据采集卡送入计算机，用LabVIEW软件绘制频率—电压曲线[5]。
3 结果及分析
实验过程中，把信号发生器的输出电压的峰峰值调节为0.5V。调节信号发生器的不同频率，记录压电陶瓷片电压信号的峰峰值，绘制成的频率—电压峰峰值曲线如图4所示。由图可知，电压峰峰值在136Hz左右，达到了最大值，与计算出的理论共振频率142Hz较为接近。证明了在共振频率处，腔体的振动达到了最强，气体排放达到最佳效果。采集到的电压数据与压电陶瓷片的固定方位有关，并受外界干扰，如果改进检测装置，有望得到更接近理论值的频率。
4 结论
利用压电陶瓷检测装置和数据采集分析装置，经过多次实验调试，达到了让亥姆霍兹共振腔作为一个香味排放装置的最佳效果。并通过光电开关和单片机程序设计，实现了自动控制，可以应用于洗手间的香味自动排放，有效实现空气改善，避免了香料的浪费，也防止洗手间的香味浓度过大而让人不舒服，具有实用价值。
参考文献：
[1] 马大猷.亥姆霍兹共鸣器[J].声学技术，2002（Z1）：1-3.
[2] 王宪纬，迟逞，曹正东.声共振排烟设计实验[J].实验室研究与探索，2008（8）：52-53.
[3] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009：147-166.
0～10
9L之间调控点样体积。以此为基础，结合三维精密位移控制技术，研制了一种基于压电振荡原理的微阵列生物芯片点样系统。对点样系统的点样体积、点样密度、点样精度等参数进行了测试，结果表明，此点样系统的最小点样体积可达320pL，点样密度可达4000点/cm2，并能够实现界面图案化制备。
关键词压电振荡；微阵列点样仪；玻璃毛细管点样针；图案化制备
1引言
微阵列生物芯片技术是将生物学、化学、物理学、光学、微电子学和计算机学高度结合形成的一项交叉技术。它成功地实现了生物信息的大规模集成以及生物实验从串行过程向并行过程的转变，大大加快了生命科学研究的过程。微阵列生物芯片技术已被广泛应用于生物组学研究、临床诊断、药物筛选、微生物检测等领域[1～5]。合成后点样是制备微阵列生物芯片的主要方法，即将预先合成的核酸片段、多肽分子等生物样品按照一定顺序固定于基片上，形成要求的阵列，然后将待测的生物样品与标记的已知生物样品进行杂交反应。按照点样针是否与芯片基底接触将微阵列生物芯片的点样方式分为接触式（Contact）和非接触式（Noncontact）两种。接触式点样方式的点样针尖端的液体与芯片基底直接接触，通过毛细作用形成阵列点。接触式点样能够获得高密度点阵，且c样量小（通常为pL级），但定量分析准确性及重现性较差，且因存在交叉污染而不能重复点样[6～9]。非接触式点样方式主要有两种：一种是基于电磁微阀原理，通过注射泵和精密电磁阀协调工作实现非接触式的定量点样，此方式一般需要预增压和预点样过程，使点样液滴体积达到稳定，操作比较复杂，最小点样量可以达到10
1L；另一种是基于压电喷墨的点样原理，通过压电陶瓷的形变挤压毛细管壁，使点样针的尖端喷出微小液滴，最小点样量可以达到10
1L，具有定量分析准确、重现性好等优势。但由于压电驱动元件和点样针集成在一起，当点样针发生堵塞等问题时不易清洗，且点样头造价昂贵[10～13]。
针对目前非接触点样方式存在的不足，本研究采用了一种毛细管点样针与压电驱动装置分离的以压电振荡为驱动力的非接触式点样方式，应用于微阵列芯片制作。由于采用了分离设计，可以单独对毛细管点样针进行更换和清洗，避免了压电喷墨点样头容易堵塞的问题。此装置通过改变压电陶瓷的振幅和频率，可在10
0～10
9L之间调控点样体积，优于传统的基于电磁微阀原理的点样方式。以此为基础，结合三维精密位移控制技术，研制了一种基于压电振荡原理的微阵列生物芯片点样系统，并成功应用于微阵列芯片制备和界面图案化修饰。
2实验部分
2.1仪器与试剂
P2000激光拉制机、BV10磨针仪、B10058玻璃管（美国Sutter公司）；PhenomPro台式扫描电子显微镜（复纳科学仪器上海有限公司公司）；LuxScan10K微阵列芯片扫描仪（北京博奥生物有限公司）；BT125D精密电子天平（德国赛多利斯公司）；MM3C透反射金相显微镜（上海万衡精密仪器有限公司）；AM4113TL显微镜（台湾DinoLite公司）；P844.10压电陶瓷（德国PI公司）；7105载玻片（江苏飞舟玻塑有限公司）。三甲氧基硅烷（美国SigmaAldrich公司）；有机染料Cy3和Cy5（美国Sigma公司）；使用含30%甘油的水溶液为点样液。
2.2压电振荡点样原理及点样头结构设计
通过压电陶瓷控制器对压电陶瓷施加矩形电压脉冲，使压电陶瓷产生微小幅度的振动，即压电振荡。这种振动会对毛细管点样针尖端内的液体产生轴向加速运动，由此产生的惯性力使液体克服表面张力、
粘性力等束缚，发生断裂，在点样针尖端喷出微小液滴（图1）[14]。点样液的物理性质（粘度、密度、表面张力）、点样针尖端内径、压电陶瓷的驱动电压、驱动频率等参数都会对点样过程造成影响。韦伯数（We，无量纲参数）可用于判定液滴能否从点样针尖端成功脱落[15]：
12
其中，ρ为液体密度，d为点样针尖端内径，v为点样针末端液体流速，r为液体表面张力系数。v由压电陶瓷的驱动电压和驱动频率共同决定。所研制的点样头由压电陶瓷、连接装置、点样针固定装置和玻璃毛细管点样针组成。玻璃毛细管点样针的尾端通过硅胶管与蠕动泵连接，用于进样和清洗。
2.3毛细管点样针制备
采用激光拉制法将一根硼硅酸盐毛细玻璃管拉成两段，以获得毛细管点样针。硼硅酸盐玻璃不仅具有良好的微加工性能和化学稳定性，而且成本较低。利用激光对硼硅酸盐毛细玻璃管进行局部加热，以消散其内应力。当玻璃管被加热部分接近或达到熔融状态时，在表面张力的作用下，玻璃沿毛细管轴向均匀收缩，此时在玻璃管两端施加拉力，使其从被加热的部分分成两段，然后在空气中急速冷却，从而获得内腔呈圆锥状的毛细管点样针（图2A）。对所拉制的毛细管点样针尖端进行垂直研磨抛光，
使其形成几何对称、端口平整、内径在μm量级的喷嘴结构，可应用于微阵列生物芯片点样。如图2B所示，制作的毛细管点样针尖端平整，管壁均匀。使用硅烷化试剂处理研磨后的毛细管点样针，提高其内壁的疏水性。硅烷化处理能够有效降低喷嘴内壁与溶液之间的相互作用，减少溶液的流动阻力，有利于液体的喷射，同时避免了在喷嘴口处产生样品“流挂”现象[16]。
2.4微阵列生物芯片点样系统外观及内部结构
以压电振荡驱动的点样头为基础，结合三维精密位移控制技术，研制了一种新型微阵列生物芯片点样系统。如图3A所示，仪器系统的前盖、两侧及顶部均采用透明式设计，便于实验的观察与操作。三维位移平台选用直角坐标式结构，含有3个彼此独立的运动单元，运动方向相互垂直，构成三维运动空间（图3B）。直角坐标式位移平台的机械系统较为稳定，在工作过程中振动较小。
2.5软件设计
软件控制主要分为位移控制、点样参数设置、点阵参数设置和图案化参数设置4个功能部分。位移控制功能可以将毛细管点样针移动至接近点样基底表面的地方；点样参数设置区域可以设置点样的幅值、频率和重复点样次数等参数；点阵参数区域可以设置单个点阵的横向、纵向点数和点阵间距，以及多个点阵的横向、纵向阵数和阵间距；图案化参数设置需要输入目标图案的BMP位图格式文件。
3结果与讨论
3.1点样体积测试
选用内径20μm的毛细管点样针测试所研制的仪器系统的点样体积。由于单次点样体积在nL级别，难以直接精确测量其体积。为了使测得结果更接近真实值，采用测量点样液滴的质量间接得到点样液滴体积的方法。首先，取1mL样品溶液，测得其质量为1.083g，获得样品溶液的密度为1.083g/mL。然后，固定驱动频率为5Hz，
设置不同的驱动电压，每种驱动电压点样10000次，收集10000个液滴并称重得到其质量，通过与密度值进行换算即可得到10000个液滴的体积，进而得到单个液滴的体积。在每种点样参数下，点样液滴体积的测量均采用测量5次取平均值的方法，得到的单点体积与驱动电压的关系如图4所示。在驱动电压为20V时，获得最小点样体积320pL；当驱动电压低于20V时，点样针尖端内液体所获得的惯性力因无法克服液体表面张力、粘性力等束缚而无法喷出；当驱动电压>20V时，随着驱动电压的增大，液体获得的惯性力增大，点样体积也随之增大。
3.2点样密度测试
选用内径20μm的毛细管点样针测试仪器系统的点样密度。在驱动电压25V、频率2Hz、点间距160μm条件下，获得的微阵列如图5所示。从图5可见，液滴粒径大小规整、均匀、无卫星液滴，所获得的液滴平均直径约（108
SymbolqB@5）μm，接近商品仪器在接触式点样方式下所获得的微阵列（单点直径约100μm），优于其在非接触点样方式下所获得的实验结果（单点直径
Symbol～200μm）。微阵列点阵密度达到4000点/cm2，表明所研制的仪器系统能够制备高密度微阵列生物芯片。
3.3精度测试
选用内径40μm的毛细管点样针测试仪器系统的点样精度。在驱动电压40V、频率2Hz、点样间距1mm的点样参数下，分别通过单次点样制备单色染料（Cy3和Cy5）微阵列，同一位置重复点样2次，制备双色染料微阵列。如图6所示，重复点样所获得的双色液滴微阵列粒径大小规整、均匀，阵列点平均直径为（200
SymbolqB@8）μm；其中红色染料（Cy5）信号平均值为1957
SymbolqB@63，绿色染料（Cy3）信号平均值为460
SymbolqB@29。此实验结果表明，所研制的点样系统具有良好的点样精度，能够实现不同样品在同一位置的重复点样。
3.4图案化制备
为进一步考察仪器系统的性能，选用内径40μm的毛细管点样针，在驱动电压40V、频率2Hz、点样间距260μm、1次点样的点样参数下制备离散图案；在驱动电压80V、频率2Hz、点样间距120μm、2次重复点样的点样参数下制备连续图案。如图7所示，在两种情况下均能够实现目标图案的制备，对目标图案的形状和大小没有要求。此实验结果表明，所研制的基于压电振荡原理的微阵列点样系统具有优良的点样精度，不仅能够应用于微阵列生物芯片制备，而且能够实现界面图案化修饰。
4Y论
分析了毛细管尖端液滴形成的条件，采用微加工方法制备了毛细管点样针，并设计了一种新型非接触式点样结构，在此基础上研制开发了一种基于压电振荡原理的微阵列点样系统。此点样系统使用毛细玻璃管作为点样针，极大地降低了微阵列生物芯片的点样成本，并且点样针与压电驱动装置为独立单元，可以单独对毛细管点样针进行更换和清洗。点样体积、点样密度、点样精度、图案化制备等实验结果证明所研制的系统能够应用于高密度微阵列生物芯片制备、能够实现固定位置重复点样和界面图案化修饰，因此具有良好的应用前景和推广价值。
〖WT5BZReferences
1YAOYuFeng，LUShiZhou，LIUYaXin，SUNLiNing.J.Mechan.Engineer.，2013，49（14）：140-153
姚玉峰，路士州，刘亚欣，孙立宁.机械工程学报，2013，49（14）：140-153
2CHENJiuSheng，JIANGJiaHuan.ChineseJ.Anal.Chem.，2012，40（8）：1293-1300
陈九生，蒋稼欢.分析化学，2012，40（8）：1293-1300
3MujawarLH，NordW，AmerongenA.Analyst，2013，138（2）：518-524
4LuSZ，YaoYF，LiuYX，ZhaoYT.J.Adhe.Sci.Technol.，2015，29（8）：716-730
5ArrabitoG，PignataroB.Anal.Chem，2012，84（13）：5450-5462
6HUANGDaRen，YUANSongMei，CHUXiangCheng，CUIHongChao，ZHANGShuLan.Piezoelectrics&Acoustooptics，2016，38（1）：11-15
S大任，袁松梅，褚祥诚，崔宏超，张淑兰.压电与声光，2016，38（1）：11-15
7LiR，AshgrizN，ChandraS.Exp.ThermalFluidSci.，2008，32：1679-1686
8LIUChaoYang，CHENGXuan.JournalofFunctionalMaterials，2013，6（44）：870-873
刘朝杨，程璇.功能材料，2013，6（44）：870-873
9ZhangD，ChangC，OnoT.Sens.ActuatorA，2003，108（13）：230-233
10CAIJinDa，LIXiang，YAOShangJin.PackagingEngineering，2016，37（11）：190-194
蔡锦达，李翔，姚尚金.包装工程，2016，37（11）：190-194
11LiZA，HouLY，ZhangWY.Anal.Method，2014，6（3）：878-885
12GeP，JouanehM.IEEETransact.ControlSys.Technol.，1996，4（3）：209-216
13SahayA，BrownM，MuzzioF.J.Lab.Automat.，2013，18（2）：152-160
14ZHENGYue，HOULiYa，ZHULi，WANGHongCheng，HEJiaQiao，ZHANGWeiYi.ChineseJ.Anal.Chem.，2014，42（1）：21-27
郑悦，候丽雅，朱丽，王洪成，何加桥，章维一.分析化学，2014，42（1）：21-27
15FANZengHua，RONGWeiBin，WANGLeFeng，SUNLiNing.OpticsandPrecisionEngineering，2016，24（5）：1042-1049
范增华，荣伟彬，王乐锋，孙立宁.光学精密工程，2016，24（5）：1042-1049
16WANGHongCheng，HOULiYa，ZHANGWeiYi.MicronanoelectronicTechnology，2013，50（4）：236-241
王洪成，侯丽雅，章维一.微纳电子技术，2013，50（4）：236-241
AbstractAnewtypeofpiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodehasbeendevelopedtoovercomethedisadvantagesoftraditionalnoncontactspottingmodesincludingcomplicatedoperationprocedure，cleaningdifficultyofspottingneedle，largesampleconsumptionofelectromagneticmicrovalveandhighspottingcostofpiezoelectricinkjetbasednoncontactspottingmode.Inthedevice，thecapillaryspottingneedleandthepiezoelectricdrivingdevicearetwoindependentunitsusedforreplacingandcleaningcapillaryspottingneedle.Theglasscapillaryspottingneedleispreparedbythelasermeltingmethodwithadjustablediameterandlowcost.Thesamplespottingvolumeofthedevicecanbeeasilyadjustedintherangeof10
0-10
9bychangingtheamplitudeandfrequencyofpiezoelectricceramic.Amicroarrayspottingsystemisdevelopedbythecombinationofthepiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodeandthreedimensionalprecisiondisplacementcontroltechnology.Themultipleparametersofaspreparedmicroarrayspottingsystemhavebeentestedincludingspottingvolume，densityofspotandspottingprecision.Theexperimentalresultsindicatethattheminimumvolumeofsinglespotwith320pLandthehighestdensityofspotwith4000spots/cm2canbeachievedbytheaspreparedmicroarrayspottingsystem.Furthermore，theaspreparedmicroarrayspottingsystemcanalsobeemployedtofabricatepatternedinterface.
关键词：ADCP;测验盲区；测验精度
一、前言
随着近几年国民经济的飞速发展，我国各个行业都逐步加快了现代化的进程，信息自动化技术实现了突飞猛进的从量变到质变的转换。在这个过程中，水文行业在国外不断引进了各种先进的测验技术及设备，极大的改善了测验环境及测验精度，在数据采集的自动化、现代化方面迈上了一个新的台阶！
河道流量数据的采集是水文工作的重点之一。传统的河流流量测验仪器主要是采用的流速仪。流速仪法在过去的几十年内广泛的应用在人工测船、桥测、缆道测量和涉水测量。测验历时长、测验精度不高成为了传统测验手段实施的瓶颈，尤其在极端环境下，传统测验手段已经不能再满足水文测验的要求。基于上述原因，我们于2008年引进了RDI公司的ADCP。
二、ADCP基本原理
ADCP 全称声学多普勒剖面流速仪(Acoustic Doppler Corrent Profiler)，是1982 年国际上发展的一种新的流速测量仪器，它是目前世界上最先进的测量流量技术。ADCP 是一种利用回波束声学换能器所发射的声脉冲在随流运动的水体悬浮物质中所产生的多普勒效应进行测流的仪器。该仪器利用声学多普勒原理测量水流速度剖面,具有测验时间短、分辨率高、精度好、资料完整、信息量大的特点,特别适合于流态复杂条件下的测验,与传统的流速仪相比具有更高的测验效率。
ADCP一般配有四个（或三个）换能器（电能于机械能之间相互转换），换能器与ADCP中心轴线成一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射某一固定频率的声波（超声波短脉冲），然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波（在这里我们假定颗粒物的运动速度与水体流速相同）。当颗粒物的运动方向接近换能器时，换能器听到的回波频率比发射频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器，换能器听到的回波频率比发射频率低。我们利用这种效应（声学多普勒效应），来测量水流速，公式如下：
注：Fd=声学多普勒频移； F=发射波频率； C=声波在水中的传播速度；V=颗粒物沿声波方向的移动速度。
三、ADCP测验盲区
靠近声学多普勒流速仪换能器一定的范围。在该范围内，声学多普勒流速仪不能提供有效测量数据。声学多普勒流速仪的换能器既是发射器也是接收器。两者交替进行工作。当压电陶瓷片受交流电激励产生振动发射声波后，压电陶瓷片会产生余震。要等到余震衰减掉后压电陶瓷片才能够正常接收回波信号。余震衰减需要一点时间。这个时间乘以声速即为声学多普勒流速仪的盲区。
受ADCP自身测量原理的的影响，在利用ADCP测量断面流量的时候，会出现测验盲区。
所谓盲区，即ADCP的非实测区，主要集中在测流断面的上、下、左、右四个边界区域（顶部盲区、底部盲区、左、右岸边盲区），该区域的流量需要通过实际测量区域数据外延来估算，如下图所示：
图1 盲区分布图
Fig1.The distribution map of blanking distance
（1）顶部盲区：该区域的厚度大d=a+b+c。a、ADCP入水深度；b、ADCP盲区；c、二分之一单元尺寸
a、ADCP入水深度：ADCP入水深度随着自然河流的具体情况略有不同，经验参数为0.05～0.06米，水情允许的情况下，应实测入水深度；
b、ADCP盲区：ADCP测量原理中提到，每个换能器既是声波发射设备，又是颗粒物背散射回来的声波接受设备，当压电陶瓷片震动发射声波后，压电陶瓷片会产生余震，要等到余震衰减刁后压电陶瓷片才能正常接受回波信号。衰减时间乘以声速即为ADCP盲区，对于我局使用的1200KHz的ADCP为零盲区型，采用零盲区技术能使发射声波脉冲后的余震立即消除，从而使仪器盲区为零，使得ADCP在极浅的水深条件下科正常工作。但这仅是设备的出厂指标，在实际测流中，为消除换能器与水流相互干扰对测流经度的影响，我们仍要设置某一数值，建议值0.05米；
c、二分之一单元尺寸：之所以要加上此段距离，是因为不断发送的脉冲与脉冲之间有一定距离，其大小约等于二分之一个单元尺寸。
影响表层盲区厚度的三个因素中，只有ADCP入水深度是我们人为可以精确控制的，而ADCP盲区和二分之一单元尺寸都是由于声波自身特性导致，通过向导命令及用户命令初始化ADCP设备的时候，其参数只是理论值，实际大小应以测验情况为准。
下图为献县杨庄实测数据流速大小等值图，参数设置为：ADCP入水深度0.06米；ADCP盲区0.05米（此数值为经验参数，主要为了减小旁瓣对主瓣的影响，具体ADCP盲区厚度根据实际测验为准）；单元尺寸为0.26米。从图上查的水面（0.00米）到实测区域的厚度为0.35米。根据上述原理d=a+b+c既得出b、c影响的盲区厚度为0.29米。
图2 实测数据流速大小等值图
Fig2.Measured data speed of flow size chorogram
（2）底部盲区
底部盲区又叫旁瓣区，是因为底部盲区是由靠近河底的水层受到旁瓣影响产生的。旁瓣影响的底部盲区厚度取决与ADCP声束与仪器轴线的夹角。夹角为20度时，旁瓣影响的底部盲区厚度约为水深的6%；夹角25度时，约为10%；30度时，约为15%，如图所示，粗黑实线即为断面河底情况，细黑实线为河底临界有效数据，将其岸边部分放大后效果如下：
图3岸边部分放大效果图
Fig3.The amplification effect chart of shore part
对于我局使用的ADCP声束与仪器轴线夹角为20度的情况，基本符合底部盲区厚度为水深的6%，误差较大的地方是受桥墩影响导致的。
（3）岸边盲区（浅水区域）
岸边盲区的产生主要是因为水深较浅，三体船不能靠近或者ADCP不能保证在垂线上至少有一个或两个有效测深单元。其水面宽度为水边至两个单元层数临界处，为控制测验经度，实测过程岸边盲区宽度需精确测量。
四、ADCP测验盲区与流量测验精度的关系
在流量测验中，非实测区域的流量要通过实测去流量外延估算求得，献县杨庄测流单测次标准流量列表如下，由表中可以看出，在四个非实测区域，表层和底层估算的流量所占比重相对较大 12.3%、15.8%，
而估测区域流量的大小和盲区尺寸有着直接关系，并且这两个区域的大小ADCP盲区及单元尺寸有着密切关系，因此，我们在实测过程中，如果水深较浅，应尽量采用较小的单元尺寸，以便减小表层及河底非实测区厚度，提高ADCP实测流量在总流量中所占比例，从而提高测验经度。然而当水深较大时候，单元尺寸过小，会使得测速垂线上数据点多，并且会使剖面深度降低 ，因此，水深较深时，应采用大单元尺寸。
另外，上图标准流量列表中右岸流量为负值，是回水导致，实测过程中应注意第一个数据采集位置水深最少两个单元尺寸。
五、总结：
从自然生态的角度来看，不少人并不喜欢城市，因为城市不过是“钢筋混凝土的森林”，缺乏自然的生动、清新和灵活。但如果让城市的大楼变成毛茸茸的感觉，城市会变成什么样呢？
你是否体验过躺在草丛中，看着蓝天发呆，不知不觉地舒舒服服睡上一觉那样宜人的感受？尤其那毛茸茸的草穗让你觉得环境是如此的心旷神怡。然而，设计师却让我们的向往在城市中变成了现实，将摩天大楼设计成了毛茸茸的草穗，这就是毛茸摩天大楼。
从外观上来看，毛茸摩天大楼就像是“生长”在城市中的一株株草穗，尤其像长长的芦苇穗。风儿吹拂的时候，这些大楼虽然从整体上不能像真的芦苇那样来回晃动，但是它们表面的一根根纤毛可以随风飘动，好像大楼突然之间就拥有了生命力。透过宽敞透明的落地窗欣赏城市美景时，建筑表面飘飞的茸毛为景观增添了趣味的背景。每当夜晚来临之后，在毛茸大楼表面的数千个小型LED灯会开启，柔和的光芒透过茸毛照射出来，令毛茸大楼特别有质感。
当然，设计师不单纯是为了美观才设计出这些繁复的毛毛，它们还有实际的环保用途。这些毛毛其实是一根根压电纤维，在风力的推动下，可以不断地产生电能。可以说，每一根毛毛就是一个小小的风力发电机。无论白天还是黑夜，它们都在风儿的推动下持续地发电。与现在的扇叶状风力发电机相比，压电纤维发电不仅成本低，噪声也很小。风吹压电纤维的声音就像是来自草地上的“沙沙”声，不但不会令人烦躁，而且可以安抚心灵。
这些独特的毛毛让这些建筑一下进入了生态建筑的行列，每天把风能转化成的电力，足够建筑内居民的日常用电。由于减少了对石化能源的使用，不仅可以为遏制全球变暖做贡献，而且可让城市逐步告别热岛效应，未来的城市不再是一座座“火炉”。
正是因为会涌现出越来越多像毛茸大楼这样的生态建筑，未来的城市将告别“千城同貌”的历史。未来的城市景观设计师和建筑设计师们都将把美观、生态、节能的种种要素考虑进去，让每座城市都能结合本土的自然风貌和文化特色，成为一座座各具个性的生态之城。
小链接：什么是压电纤维
压电纤维是压电材料的一种，它们在压力作用下会产生电压，从而在与之相连的电线中产生可供人们使用的电流。压电材料往往包括一些晶体（如闪锌矿、石英等）。在压力作用下，这些晶体的电荷会不均匀分布，造成正负电荷向两端逃逸。目前常用的一次性塑料打火机中，就安装有压电材料，基本上是压电陶瓷。我们按下打火机按钮时，压力让压电陶瓷产生电流，发出电火花，从而引燃打火机。在毛茸大楼中，随风飘飞的压电纤维会产生压迫形变，这些压力就可以让纤维产生电流。可见，毛茸大楼中的压电纤维其实就是把来自风的动能转化为电能。
关键词：无线智能骨料；混凝土裂缝监测
一、引言
基于压电智能骨料的混凝土结构健康监测技术已经取得了丰硕的成果，李宏男、孙威、阎石等[1-2]在该领域开展了相应的研究。但在完成桥梁健康监测任务时需要大量地布置线缆。这样不仅耗费大量的材料费和人工费，而且在出现故障时，对于健康监测系统的维护工作也比较繁重。在此背景下无线健康监测技术受到越来越多学着的关注 [3]，由于其成本低、灵活性高、安装维护容易等特点，正在逐步取代传统的有线数据传输技术。
二、无线智能骨料监测节点
无线智能骨料健康监测节点主要由压电智能骨料和信号收发模块两部分构成。压电智能骨料实现信号采集功能，信号收发模块实现信号传输功能。将两者焊接、封装，即为无线智能骨料健康监测节点，如图1所示。
基于IEEE802.15.4的Zigbee技术，由于具有无线网络的自组织、自愈能力强，通信可靠，功耗低，成本低，网络容量大，数据安全等特点，已经逐渐成为无线通信技术的首选方案。本裂缝监测系统，需要以较高的采样率把各个无线智能骨料节点数据，传输到终端进行处理和分析。因此，Zigbee技术适合作为本系统的无线网络技术。
图1 无线智能骨料健康监测节点
三、裂缝损伤监测方法
本系统采用压电陶瓷的波动法主动监测技术，从监测信号中提取敏感因子，选定信号幅值作为损伤特征参量。而对损伤的判定还需要对特征参量进行量化，从而确定损伤特征指数，这样才能更加直观便捷的对损伤进行判定。故本文提出以信号能量作为表征结构损伤的特征指数。所谓能量值，即将信号幅值的离散化后对其绝对值的平方进行积分。设Ei为某一时刻的能量值，取Eh为健康状态时的能量值，那么结构的相对健康程度可以表示为
通过此式不难看出，当结构处于健康状态时，Hi=1，当结构完全失效时，Hi=0。而实际健康监测中，常常当结构严重损伤时损伤指数越大，故本文采用DI值作为损伤指数。
四、 试验验证
本次试验选用的是结构中的常用构件钢筋混凝土梁单元作为监测对象。其尺寸采用1：3的缩尺模型。压电智能骨料（SA）在浇筑前预埋在构件中，具体布置形式如图2所示。通过人工加载方式模拟裂缝损伤产生的过程，加载设备选用的是10KN的液压千斤顶。试验构件的不同损伤状态如图2所示。
图2 试件尺寸及传感器布置
试验中利用本系统对梁构件进行实时在线监测，信号的发射与采集间隔10s扫描一次，为了排除噪声等外界因素的干扰造成局部数据不稳定，本次试验对每一状态连续扫描100次。
图3 四种状态下的损伤指数曲线
从计算后的整个实验过程中的损伤指数历史曲线。从该图中明显可以看出，当结构处于没有裂缝的健康状态时，损伤指数DI值一直处于0轴上下波动。当结构出现第一次裂缝（轻微损伤）时，损伤指数会增长到40%左右；随着裂缝的增多，进入本文定义的中度损伤状态，损伤指数的波动范围处于60%-70%之间；最后，致构件破坏失效，损伤指数则跳到80%左右。因此，当结构处于不同的状态时，本系统可根据监测结果准确的反映出了结构所处的损伤状态。
五、结语
本文开发了一套基于无线智能骨料的混凝土裂缝监测系统，该系统可以有效地对混凝土结构裂缝进行现场监测。由于系统的开发利用无线传感器网络技术，在完成监测任务时，大大减小了材料与人工费用，减少了因为布置线缆所需的维护工作。因而，将其应用于结构健康监测领域中具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]李宏男， 赵晓燕. 压电智能传感结构在土木工程中的研究和应用[J]. 地震工程与工程振动， 2004， 24 （6）： 165-172.
[2] 孙威， 阎石， 张莺. 基于压电陶瓷传感器的混凝土结构健康监测技术的数值模拟研究[J]. 混凝土， 2008， 220（2）： 34-38.
