時間：2023-05-30 10:45:11
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇壓電陶瓷，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
黃河科技學院信息工程學院河南鄭州450006
摘要院采用傳統的固相法和普通的燒結方法，制備了不同比例的ZnO 摻雜的(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3 無鉛壓電陶瓷，通過改變燒結溫度的高低，研究ZnO 摻雜對銻酸鉀鈉基壓電陶瓷的壓電常數、介電常數和介電損耗的影響，從而獲取最佳的摻雜比例和燒結溫度。研究表明：當ZnO 的摻雜量x<2.00mol%時，壓電陶瓷的壓電常數和介電常數均呈上升趨勢，介電損耗呈下降趨勢。當ZnO 的摻雜量x>2.00mol%時，壓電陶瓷的壓電常數和介電常數均呈下降趨勢，介電損耗成上升趨勢。壓電常數d33、介電常數著r、介電損耗tan啄通過測定得到如下結論：當燒結溫度T=1080益，摻雜x=2.00mol%時，壓電陶瓷的壓電系數和介電常數達到最好，其中壓電常數d33 為77pC/N、介電常數著r為273.58、介電損耗tan啄為2.98%。
關鍵詞 院無鉛壓電陶瓷；燒結溫度；固相法；ZnO 摻雜
1 概述
壓電陶瓷已在能源開發、電子技術、傳感技術、激光技術、光電子技術、紅外技術、生物技術、環境科學等方面有廣泛應用[1]。由于鉛基壓電陶瓷PZT 具有優良的壓電性能，從而得到廣泛的應用，但是此類壓電材料中含有60%以上的有毒物質鉛，在壓電陶瓷的生產、使用和廢棄處理過程中揮發的鉛都會對生態環境和人們的健康造成不可估量的傷害，因此人們迫切期盼無鉛壓電時代的到來[2]。無鉛壓電陶瓷是指不含鉛的壓電陶瓷，其更深層含義是指既具有較好的使用性又有良好的環境協調性的壓電陶瓷。目前，無鉛壓電陶瓷可以分為：BNT 基無鉛壓電陶瓷、KNN 系無鉛壓電陶瓷、BZT系無鉛壓電陶瓷，其中KNN 壓電陶瓷因為具有優良的壓電性能和機械性能，被認為是最具有可能替代PZT 的無鉛壓電材料。
然而阻礙KNN 壓電陶瓷發展的主要問題是傳統的方法無法燒結出致密的陶瓷體，大大影響了壓電和機械性能，本文選擇能夠有效降低燒結溫度的ZnO 作為摻雜對象。本文采用傳統陶瓷工藝制備無鉛壓電陶瓷，詳細探討了不同比例ZnO 摻雜對KNN 陶瓷燒結特性，包括對顯微結構以及電學性能等的影響。
2 實驗過程
采用傳統的固相法[3,4]制備了(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3-xZnO 壓電陶瓷(x = 1.00、1.50、2.00、3.00)。首先，按配比稱量分析純原料：K2CO3、Na2CO3、Li2O3、Nb2O5、Sb2O3、Ta2O5、ZnO、無水乙醇。將原料放入烘箱中在85益干燥2~3h，充分去除水分后迅速放入干燥器皿中冷卻至室溫。將各原料按照化學式(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3 配比進行配料，然后裝入研磨罐中，研磨介質為φ2mm 的鋯球進行研磨，以無水乙醇為媒介，用行星式球磨機球磨3~4h，取出烘干，在750益保溫2h 完成預燒；再將粉料充分研磨，過篩，加入質量分數為10豫左右的PVA 進行造粒；在5MP 壓力下壓制成直徑15mm，厚l.5mm 的圓片，并分別在1060益、1080益、1095益、1100益保溫2h 進行燒結，得到致密的陶瓷片。將陶瓷片的厚度控制在1.00mm 左右，進行磨平。將磨好的陶瓷片均勻的涂上銀漿，在750益燒結陶瓷獲得被上電極的陶瓷樣品，并在90益的硅油中極化，極化電壓3耀4kV/mm[5]，極化時間30min，放置1 小時左右，進行測量其相關的性能。用JSM-5900LV型掃描電子顯微鏡(SEM[6])對樣品表面進行觀察研究；采用準靜態d33測量儀(ZJ-3AN 型[7])測量壓電常數d33，用LCR 電橋測試儀（YB2811型）測量損耗。
3 結論分析與討論
3.1 顯微結構分析
由SEM 圖可以看出壓電陶瓷，在摻雜量相同(x=2.00mol%)，燒結溫度不同的情況下（1060益、1080益、1095益、1100益）同種陶瓷樣品放大10000 倍后的表面形貌圖如圖1 所示。由圖1(a)可以看出，溫度在1060益時，陶瓷表面有明顯的孔洞，顆粒表面比較粗糙，致密度較差。從圖1(a)、(b)、(c)、(d)可以看出，隨著溫度的升高致密度呈現先升高后降低的趨勢，陶瓷表面的孔洞也呈現先減少后增加的趨勢。一般而言，陶瓷晶粒大小會隨著燒結溫度的升高而增大，但是從陶瓷樣品的表面SEM 圖可以看出，陶瓷晶粒的大小并未發生太大的變化，這可能是由于摻雜的ZnO 抑制了陶瓷晶粒的長大，在溫度T=1100益時，陶瓷表面出現大量的孔洞，這可能是晶體出現液化的原因。
3.2 壓電性能分析
圖2 為室溫下測量的無鉛壓電陶瓷壓電常數隨著ZnO 摻雜比例的變化曲線圖。由圖2 可以看出，隨著摻雜量的增加，壓電陶瓷的壓電常數呈現先增加后降低的趨勢。這可能是由于ZnO 在一定程度上抑制了陶瓷晶粒的長大，從而使壓電常數也隨之增加；但當燒結溫度超過一定范圍時，ZnO 的抑制作用降低，使晶粒繼續增大并出現液化的現象，從而造成壓電常數的降低。當T=1080益，x=2.00mol%時，壓電常數達到最(d33=77pC/N)。
3.3 介電性能分析
圖3 為室溫下測量的無鉛壓電陶瓷介電常數和介電損耗隨著摻雜量的變化曲線圖。由圖3(a)可以看出，隨著摻雜量的增加，壓電陶瓷的介電常數整體呈現先上升后下降的趨勢。當T=1080益，x=2.00mol%時，壓電陶瓷的介電常數達到最大（著r=273.58）；這說明隨著陶瓷體致密度的增加壓電陶瓷的介電常數也會增加。反之介電常數也會降低。同時由圖3(b)可以看出，壓電陶瓷的介電損耗呈現先降低后增加的趨勢。同時，當T =1080益，x=2.00mol%時，介電損耗也達到最小（tan啄=2.98%）。壓電陶瓷的介電損耗與陶瓷體的致密度有關，也與微觀結構和顯微形貌有關，晶粒排列緊密，晶界對電疇的夾持效應小，電疇轉向過程中耗能少，介電損耗就會變小，反之介電損耗就會增加。
4 結論
采用傳統固相法陶瓷工藝制備了(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3無鉛壓電陶瓷；用SEM 觀測了樣品的表面具體（10滋m）形貌，并且測量了相關的壓電和介電性能。研究結果表明：
淤在ZnO 的摻雜比例一定時，隨著溫度的升高，陶瓷的壓電常數呈現先升高后下降的趨勢，當T=1080益，x=2.00mol%時，壓電常數到達最大（d33=77pC/N）。這是由于ZnO 在一定程度上抑制了晶粒的長大，從而使陶瓷的壓電常數也隨之增加；但當溫度超過一定的范圍時，ZnO 的抑制作用降低，而使晶粒繼續增大，從而造成壓電常數的降低。
于通過改變ZnO 的摻雜量，也使壓電陶瓷的介電常數整體呈現先上升后下降的趨勢，當T=1080益，x=2.00 時，壓電陶瓷的介電常數達到最大（著r=273.58）。這是由于隨著陶瓷體致密度的增加壓電陶瓷的介電常數也會增加。反之介電常數也會降低。
盂ZnO 的添加一定程度上改善了陶瓷的介電損耗，介電損耗整體呈現先降低后升高的趨勢，當T=1080益，x=2.00 時，介電損耗達到最小（tan啄=2.98%）。這是由于壓電陶瓷的介電損耗與陶瓷體的致密度有關，同時也與微觀結構和顯微形貌有關，晶粒排列緊密，晶界對電疇的夾持效應小，電疇轉向過程中耗能少，介電損耗就會變小，反之介電損耗就會增加。
參考文獻：
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PZT系多層片式壓電陶瓷微驅動器的制作主要采用了陶瓷胚胎流延成型和一定的金屬內極電共燒的技術，具有體積小、工作電壓低，且位移量大等方面的特點。本文通過對PZT概念以及試驗的方法整理研究，對PZT系多層片式壓電陶瓷微驅動器位移性能的實驗進行了科學的研究。
【關鍵詞】PZT 壓電陶瓷微驅動器
壓電陶瓷微驅動器在一定程度上在逆壓電效應的基礎上制作的新型固態執行器，并且普遍應用在眾多的高新技術領域中，如精密光學、微電子技術以及電子計算機等。而這些領域的要求促使著壓電陶瓷微驅動器逐漸朝著小體積、低驅動電壓、大位移量以及集成化的方向大力的發展。近年來，隨著陶瓷胚胎流延成型和金屬內極電共燒技術的發展和日漸成熟，適合大規模生產、性能優良的PZT系多層片式壓電陶瓷微驅動器應運而生，有效的克服了陶瓷分層現象，最大限度的延長了器件的使用壽命。
1 PZT概述
PZT是一種性能優異的鐵電材料，在介電、鐵電、壓電以及熱釋電等方面的效應十分良好，普遍應用在非揮發性的動態隨機存貯器的制作當中，并且在電子材料中的地位日漸突出。近年來，隨著社會經濟發展水平的日益提高，微機電系統獲得了更多的發展空間，PZT鐵電薄膜憑借較高的高壓電常數等方面的優勢而受到廣泛的重視，在微型傳感器和驅動器中都有所涉及，在很大程度上已經逐漸成為微機電系統中常用的傳感和驅動材料。
2 試驗
2.1 多層片式壓電陶瓷微驅動器
多層片式壓電陶瓷微驅動器的制作所需要的工藝步驟非常繁雜，具體如下：
（1）利用電子陶瓷的制備工藝可以得到PZT三元系壓電陶瓷粉體，其軟性的壓電應變系數相對較大。
（2）嚴格按照一定固液比例實現陶瓷粉體和有機劑的充分混合，均勻的陶瓷漿料由此得到，然后將其放置在流延機的料斗里進行有效地流延，通過對括刀的高度進行合理的調節以及有機載帶速度的有效控制，由此制作出來的流延胚胎不僅質地均勻、高度適中，而且非常致密。
（3）把流延胚胎膜沖成各種形狀，一面將帶圖案的電極漿料印刷上，然后將其按照一定的順序統一放置在特制的模具里采用層疊形式使其能夠成型，由此就會得到一個呈多層片狀式的含有電極的陶瓷胚體。
（4）嚴格按照器件具體的作用面積將制作好的陶瓷胚體進行切割，并切割成多個多層的器件胚體，然后將全部的胚體一起放入到一定的坩堝中慢慢排塑，經過高溫封閉式的燒結以后，便會得到含有內極的多層片式陶瓷器件。
（5）最終經過研究流延厚膜以及高溫內的電極共燒工藝，獲得了作用面積在30mm，總厚度在2mm的多層片式壓電陶瓷微驅動器。
2.2 樣品測試
陶瓷單片壓電的應變系數主要是中科院研制的Berlincourt測量儀，用中科院生產的電子顯微鏡對多層器件微曲的顯微結構進行科學的觀察，同時用中原量儀廠生產的DGS-6型數顯電感測試儀對多層片式壓電陶瓷微驅動器的位移值進行科學的測量。
3 結果和討論
對于受恒定外加應力的壓電陶瓷單片而言，當在垂直于其極化方向的表面施加一定電壓的時候，壓電形變為線性形變時，由壓電方程式可得出壓電所產生的位移，且通過實驗的進一步得知壓電的應變系數在很大程度上與厚度沒有任何關系，反倒與電壓成正比關系。因此，當電壓加到一定程度時，并且多層陶瓷片內外電極連接的具體結構形式就可以進行機械之間的并聯和串聯，如圖1，進而就會極化陶瓷層，相應的還會得到相鄰陶瓷片的極化的具體方向，取相反的方向就能夠得到極化的具體結構形式。如此一來，當多層壓電陶瓷微位移器通過外加工作電壓時，就能夠得到縱向位移的疊加。
與此同時，通過觀察可以發現在陶瓷層中存在著許多大小為微米的細小氣孔，根據實驗可得知這主要與陶瓷流延胚膜中的粘結劑等有機物分布不均勻造成的。當陶瓷內的電極呈現共燒時，會促使有機物出現一定的揮發現象，氣孔便由此形成。但是氣泡在PZT系多層片式壓電陶瓷微驅動器中對于陶瓷層機電的特性不會造成任何的影響，并且這個結果與流延法在PBNN硬性壓電陶瓷制備時的機電系數基本保持一致。除此以外，壓電陶瓷中的電偶極子以及電疇無論是在直流電壓還是在100Hz～5kHz的頻率范圍內都能夠進行同樣的伸縮以及方向的轉換，并且位移量不會隨著頻率的改變而出現相應的改變。
綜上所述，通過研究寬帶憑平坦方面的動態位移證明，電偶極子和電疇的位移量不會隨著頻率的變化而發生相應的改變，對精密動態位移的有效控制是應用多層片式器件的重要方式，這對于多層片式壓電陶瓷微驅動器的具體應用具有非常重要的意義。通過實驗可以進一步證明多層片式壓電陶瓷微驅動器作為新型的固態執行器件，在位移方面不僅響應快，并且頻譜相對比較平坦，且具有體積非常小，工作時電壓極低的顯著優勢。利用逆電壓效應有助于壓電體微觀性能的研究，其主要方法是利用壓電陶瓷在電場作用下電偶極子以及電疇所引起的位移量的變化規律，并且在一定程度上也有利于獲得隨頻率變化的壓電系數。
參考文獻
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[4]李宏.新型壓電微驅動器在光學微機電系統中的應用研究[D].成都：四川師范大學，2012.
關鍵詞：交通傳感器；壓電陶瓷；輸出
中圖分類號：U495；TH82 文獻標識碼：A 文章編號：1671-4431(2011)02-0063-04
交通事故是影響交通系統效率的重要因素。對于行駛中的車輛，可監測車輛行駛狀態、車重、道路交通狀況，根據路段的具體情況(路段彎直、坡度、路面材料種類等)和天氣條件，通過控制車輛速度及行駛路線降低交通事故發生概率。目前可用于車輛狀態監測的手段包括視頻傳感、衛星遙感、光學阻斷式傳感、電磁傳感、壓力傳感等，但是視頻技術受天氣限制，衛星傳感不能實現實時監測，微波傳感功能單一，電磁傳感監測精度差，因此能夠滿足這一功能的交通傳感器是壓電式交通傳感器。壓電式交通傳感器是以壓電石英晶片、聚合物壓電材料或碳纖維混凝土(水泥砂漿)為敏感材料的新型交通傳感器，能夠實現對車輛運動屬性(車速、車輛行駛路徑等)和特征屬性(車軸數、軸距、車輪數等)和車重的監測Ⅵ。但是壓電石英晶片的壓電常數d50只有目前高性能壓電陶瓷的幾十分之一，輸出信號小，對于數據采集系統的要求高；聚合物材料的適用溫度范圍較窄(最高80℃)，成本高；碳纖維混凝土(水泥砂漿)的性能隨著時間變化而變化。針對以上問題，制備了以目前常用的高性能PZT和PLMN型壓電陶瓷為敏感材料的交通傳感器，并研究了壓力等級、荷載作用時間、環境溫度及疲勞荷載對傳感器輸出的影響，對傳感系統的研究開發和實際應用進行探索。
1 傳感器制備及試驗
PZI型壓電陶瓷采用自制PZT5型壓電陶瓷壓縮片，直徑12mm，厚度2mm，d33=370×10-12～390×10-12C／N，10倍時間老化率1.5％；PLMN型壓電陶瓷采用保定市宏聲聲學電子器材有限公司生產的PLMN型高溫壓電陶瓷片，直徑12mm，厚度2mm，d50=260×10-12～300×10-12C／N，10倍時間老化率2.7％。
傳感器器件及傳感器結構如圖1所示。傳感器敏感材料為PZT、PLMN型壓電陶瓷，以氧化鋁陶瓷作為封裝片(同時兼有傳力作用)，傳感器密封材料為改性環氧樹脂。試驗在MTS高溫陶瓷試驗系統上進行。試驗中采用電荷放大器進行信號放大，并配套電腦自動數據采集儀，以及相應的數據采集與處理軟件進行數據的采集。每種傳感器制備兩個，一個用于疲勞試驗，另一個用于其它試驗。
2 結果與討論
2.1 單調加載下的輸出特性
圖2是兩種傳感器20℃時在不同壓力下的輸出曲線。從圖2(a)中可以看出，PZT型傳感器的輸出信號與壓力有著非常好的線性關系，線性回歸分析可知回歸置信度為0.9911。圖2(b)結果表明，PLMN型傳感器的輸出與壓力之間不存在線性關系。在壓力小于1.6MPa時，傳感器的輸出隨著應力的增大而增大，而在壓力大于1.6MPa以后，傳感器的輸出隨著應力的增大而減小。
2.2 載荷作用時間對輸出特性的影響
圖3是溫度為20℃時，荷載作用時間對于兩種傳感器輸出～荷載比的影響曲線圖。圖3(a)的結果表明，在相同應力下，荷載作用時間越短，PZT型傳感器的輸出一荷載比越大。但在加載時間小于0.1s時，輸出荷載比保持相對穩定。由于傳感器的尺寸非常小，運行中的車輛對傳感器的作用時間遠小于0.1s。因此，PZT型交通傳感器應用于交通監測時基本不用考慮車速對傳感器輸出的影響。而從圖3(b)可以看出，對于PLMN型傳感器，加載時間對輸出一荷載比的影Ⅱ向規律與PZT型傳感器差別很大，相同荷載作用時間下，輸出一荷載比并不隨荷載增大而增大，且荷載作用時間小于0.1s時，輸出荷載比仍有較大的變化。
2.3 環境溫度對輸出特性的影響
圖4(a)是PZT型傳感器在不同溫度下的輸出壓力曲線。圖4(a)結果表明，在不同溫度下，PZT型傳感器的輸出與壓力之間都有著較好的線性關系。回歸可得60℃、20℃、0℃、-20℃下輸出與壓力的線性置信度分別為0.9732、0.9911、0.9903、0.9950。雖然PZT型傳感器在不同溫度下的輸出與荷載都有較好的線性關系，但是不同溫度下的線性置信度以及輸出的大小相差較大。置信度基本上隨著溫度的升高而減小。此外，從圖4(a)中4條曲線還可看出，相同壓力下的傳感器輸出并不是隨著溫度的變化單調變化，在60℃、20℃、0℃3個溫度下，傳感器輸出隨著溫度的升高而增大，但是-20℃時的輸出比0℃時高。圖4(b)為PLMN型傳感器在不同溫度下的輸出壓力曲線。圖4(b)中結果表明，PLMN型傳感器輸出在各種溫度下的輸出表現出與PZT型傳感器相似的規律。PLMN型傳感器在各溫度下的輸出與荷載之間的線性關系相對PZT型傳感器差得多。
2.4 疲勞荷載對輸出特性的影響
圖5(a)、圖5(b)分別為PZT型和PLMN型傳感器經過疲勞荷載后的輸出一壓力曲線圖。從圖5中可以看出，無論是PZT型傳感器，還是PLMN型傳感器，經過50萬次和100萬次后的輸出與疲勞試驗前的差別非常小，如果考慮試驗誤差，可認為疲勞荷載對傳感器的輸出沒有影響。
3 結論
a.基于PZT和PLMN型壓電陶瓷的交通傳感器50萬次和100萬次疲勞荷載后應力一輸出電壓輸出特性和初始時比較基本沒有變化，表明在車流量非常密集的情況下智能傳感器仍會有精確可靠的輸出，長期用于高速公路信息的采集具有很好的穩定性；且兩種傳感器在加載時間小于0.2s時輸出電壓的大小基本上保持穩定，用于高速公路信息采集時傳感器輸出基本不受車速的影響。
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.
關鍵詞： 能源；壓力能；壓電陶瓷
Key words： energy；pressure energy；piezoelectric ceramics
中圖分類號：P754.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0152-02
0 引言
能量收集是一個新概念，源于能源危機，與傳統發電機產生電能的不同之處在于，它是將環境中人們未能利用的能源轉換成可供人類使用的電能并存儲，以實現能源的回收和再利用。壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料，稱之為壓電效應，我們就是利用了這個性質，在此基礎上設計了相應的能量轉換收集儲存機構。
1 整體設計思路
壓電陶瓷在受到一定的振動力的情況下，會將壓力能轉化為電能，振動是自然界常見的現象，例如海水的拍打、車站人流的腳步等都可以產生振動，由于其幾乎無處不在而且具有較高的能量密度的特點，所以，我們可以將這種壓力能用壓電陶瓷收集，然后，儲存利用，具體實現原理如圖1。
現對主要模塊的工作原理做簡單介紹：
①振動產生的壓力能。
根據使用場合由外界決定，例如，此裝置安裝在火車站進站口的位置，人體的重量及走動的頻率就決定了壓力能的大小；
②能量轉換模塊。
壓力能經過能量轉換模塊，也就是壓電陶瓷，轉化為電能，具體結構在下文中有詳細的講解；
③儲能元件。
用于儲存收集的電量，為了更好地收集零散的壓力能，要求儲能元件具有快速充放電功能，故選擇超級電容器。
④能量收集模塊。
其主要任務是將能量轉換模塊輸出的電能進行整流處理并收集儲存。此模塊的整流處理部分是通過LTC3588-1壓電能量收集芯片和芯片對應的電路完成。LTC3588-1可以直接與能量轉換模塊連接，在芯片內部有一個整流模塊，通過該模塊對能量轉換模塊輸出的電壓波形整流，在超低靜態電流（450nA）欠壓閉鎖（ULVO）模式下，將整流后的電流暫時儲存至CAP管腳外接的電容，同時通過一個內部并聯穩壓器吸收多余的功率。當電容儲存的電量達到設定值之后，通過降壓型轉換器輸出電壓。當有負載時，輸出電壓可以直接驅動負載；當沒有負載時，將輸出的電能儲存至儲能元件。
⑤能量采集模塊。
信號采集模塊的主要功能是采集能量收集模塊中的儲能元件的電信號，以此來判斷能量收集狀況。此模塊主要使用MSP430G2553單片機，它是一款超低功耗混合信號微控制器，具有內置的一個10 位模數 （A/D）轉換器、16位定時器、16個觸摸感測的 I/O引腳、一個多用途的模擬比較器以及通用的串行內置通信能力。
⑥顯示模塊。
顯示模塊的作用是將采集模塊經過處理后的數據清晰了然的呈現出來，方便測試人員觀察、操作。此模塊是利用了MSP430單片機的外接設備，LCD12864液晶屏。
2 機械結構設計
由于壓電陶瓷收集壓力能的結構目前還沒有實際的應用，而且，即使要使用也許要大面積鋪設才能見效，所以，為了測試其可行性，我們設計了一種小型試驗設備，所選用的壓電陶瓷為PZT-5H材料，為了提高電流，將其并聯連接，具體實物圖如圖2所示。
將壓電陶瓷并聯固定于底座上平面上，用拍擊柱模擬人體行走所產生的振動沖擊，拍擊柱固定于拍擊板上，拍擊板和推桿間隙配合，軸向固定，這樣，電機帶動凸輪運動，凸輪帶動推桿做軸向移動，同r，拍擊板和拍擊柱也沿軸向移動，由于拍擊板和推桿是間隙配合，所以，拍擊柱給壓電陶瓷拍擊力的位置是隨機的，滿足人在行走過程中給地面的隨機振動力的形式。
3 數據分析
為了得出具體的數值，現設定電機轉速為20r/min；拍擊高度為25mm；拍擊板和拍擊柱的重量和為0.8kg；采用8片壓電陶瓷，平鋪面積大約0.09m2；測試超級電容的電壓每隔10分鐘的變化情況，具體數值如表1所示。
將這些分散，不規則的壓力能收集是一個新的理念，雖然，發電量不是很高，但是作為輔助能源收集裝置，是可以考慮利用的，我們可以用來照明或給小型電器充電，同時，壓電陶瓷的發展還處于初級階段，隨著新技術的不斷引進，壓電陶瓷技術也會得到完善和發展，會推動壓力能收集技術的進步。
4 結束語
壓力能收集是開發能源利用的一個新的開端，壓力能收集裝置的設計還有很大的發展空間，隨著技術的不斷發展，壓電陶瓷材料的不斷改進，壓力能收集會是以后能源利用的一個重要分支，我們應該探索更廣泛的應用空間。
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關健詞：電子陶瓷；材料；發展前景
1 引言
電子陶瓷是廣泛應用于電子信息領域中的具有獨特的電學、光學、磁學等性質的一類新型陶瓷材料，它是光電子工業、微電子及電子工業制備中的基礎元件，是國際上競爭激烈的高技術新材料。
電子陶瓷可分為絕緣陶瓷、導電陶瓷、光學陶瓷和磁性陶瓷四大類。隨著現代通訊、光電子、微電子、生物工程、智能制造和核技術等高科技的快速發展，對電子陶瓷元器件的要求也愈來愈高，高性能復合型電子陶瓷材料的研究越發引起了世界工業先進國家的重視。
現代科學技術的加速發展對電子陶瓷材料提出了嚴峻的挑戰，也為這一領域的研究和發展創造了新的機會。在市場信息的引導下，傳統電子陶瓷材料的改性研究和新型電子陶瓷材料的研發使用受到重視，日益顯示出廣闊的市場前景和強大的經濟效益。
2 電子陶瓷發展動向
從20世紀初期開始，電子陶瓷材料的發展過程經歷了由介電陶瓷、壓電陶瓷、半導體陶瓷、快離子導體陶瓷、高溫超導陶瓷到高性能復合型電子陶瓷的一個轉變。近年來，隨著厚膜、薄膜技術以及高純超微粉體技術的研究突破以及探索信息技術、微電子技術、光電子技術等高新技術的發展，人們在電子陶瓷材料與器件的一體化研究與應用、傳統材料的改性等方面都開展了廣泛深入的研究，電子陶瓷已成為當前材料研究者關注的熱點。
隨著電子信息技術的高速發展，電子陶瓷材料由傳統的消費類電子產品向數字化的信息產品比如計算機、數字化音視頻設備和通信設備等應用領域轉化。為了滿足數字技術對陶瓷元器件提出的一些特殊要求，世界各國的研究機構及大學都在功能陶瓷新材料、新產品、新工藝方面投入大量資金進行研究開發。其中新型電子陶瓷元器件及相關材料的發展趨勢和方向主要體現在以下幾個方面。
2.1 技術集成化
在原有工藝的基礎上，電子陶瓷材料制備技術的開發也結合了現代新型工藝的復合工藝。其中，多種技術的集成化是電子陶瓷材料制備技術的新發展趨勢，比如納米陶瓷制浼際跫澳擅準短沾稍料、快速成形及燒結技術、濕化學合成技術等都為開發高性能電子陶瓷材料打下了基礎。隨著多功能化、高集成化、全數字化和低成本方向發展，很大程度上推動了電子元器件的小型化、功能集成化、片式化和低成本及器件組合化的發展進程。
2.2 功能復合化
在激烈的信息市場的競爭中，單一性能的電子陶瓷器件逐漸失去了競爭力，利用陶瓷、半導體及金屬結合起來的復合電子陶瓷是開發各種電子元器件的基礎，它是發展智能材料和機敏材料的有效途徑，同時也為器件與材料的一體化提供重要的技術支持。
2.3 結構微型化
目前，電子陶瓷材料與微觀領域的聯系不斷深入，其研究范圍也正在延伸。基于電子陶瓷的微型化和高性能正在不斷出現，比如在微型化技術和陶瓷的薄膜化的聯合運用以生產用于信息控制的高效微裝置，電子陶瓷機構和裝置尺寸減小的趨勢是得益于微型化技術發展而出現的。目前元器件研究開發的一個重要目標是微型化、小型化，其市場需求也非常大；片式化功能陶瓷元器件占據了當前電子陶瓷無元器件的主要市場；比如片式電感類器件、片式壓敏電阻、片式多層熱敏電阻、多層壓電陶瓷變壓器等。要實現小型化、微型化的話，從材料角度而言，在于提高陶瓷材料的性能和發展陶瓷納米技術和相關工藝，所以發展高性能功能陶瓷材料及其先進制備技術是功能陶瓷的重要研究課題。
2.4環保無害化
近年來，隨著人類社會的可持續發展以及環境保護的需求，發達國家致力研發的熱點材料之一就是新型環境友好的電子陶瓷。作為重要的功能材料，被廣泛應用于微機電系統和信息領域的新型壓電陶瓷，比如多層壓電變壓器、多層壓電驅動器、片式化壓電頻率器件、聲表面波（SAM）器件、薄膜體聲波濾波器等器件也不斷被研制出來。
3 電子陶瓷應用前景
3.1電絕緣陶瓷的應用前景
電絕緣陶瓷因具備導熱性良好、電導率低、介電常數小、介電損耗低、機械強度高、化學穩定性好等特性，被廣泛應用于金屬熔液的浴槽、熔融鹽類容器、封裝材料、集成電路基板、電解槽襯里、金屬基復合材料增強體、主動裝甲材料、散熱片以及高溫爐的發熱件中。
在電子、電力工業中，絕緣陶瓷比如電力設備的絕緣子、絕緣襯套、電阻基體、線圈框架、電子管功率管的管座及集成電路基片等主要是用于電器件的安裝、保護、支撐、絕緣、連接和隔離。
由于陶瓷的絕緣性主要由晶界相決定，為了提高絕緣性，應盡量避免堿金屬氧化物的存在，而且玻璃相應盡量是硼玻璃、鋁硅玻璃或硅玻璃。一般來說，陶瓷內部氣孔對絕緣性影響不大，但陶瓷表面的氣孔會因被污染或吸附水而使表面絕緣性變差，所以絕緣陶瓷應選擇無吸水性，氣孔少的致密材料。
3.2介電陶瓷的應用前景
介電陶瓷因具有高強度、介電損耗低、耐熱性、穩定性等特點，目前被廣泛應用于集成電路基板的制造材料。比如氧化鈹、氧化鋁、氮化鋁及碳化硅等可普遍作為集成電路基板的陶瓷材料，其中氧化鈹因制造工藝復雜、毒性大及成本高等原因限制了它的使用；而碳化硅的導熱性雖然優于氧化鋁，且通過熱壓方法制成的高性能基板，在200℃左右時其性能仍能滿足實用要求，但由于熱壓燒結工藝復雜及添加劑有毒，也限制了它的發展；氮化鋁的其他電性能雖然和氧化鋁陶瓷大致相當，但其熱傳導率卻是氧化鋁瓷的10倍左右，所以極有可能成為超大規模集成電路的下一代優質基板材料。
關鍵詞：SECM；宏微定位；驅動電路
引言
掃描電化學顯微鏡(SECM)是80年展起來的一種電化學現場檢測新技術。該技術驅動非常小的電極(探針)在靠近樣品處進行掃描，樣品可以是金屬、半導體、高分子、生物基底等材料。SECM具有化學靈敏性，可測量微區內物質氧化或還原所產生的電化學電流，從而獲得對應的微區電化學和相關信息。它主要由電化學部分(電解池、探頭、基底、各種電極和雙恒電位儀器)，用來精確地控制、操作探頭和基底位置的位移驅動器，以及用來控制操作、獲取和分析數據的計算機(包括接口)等三部分組成，SECM系統原理如圖1所示。
位移驅動部分是通過超精密定位技術(UMDE)實現對探針的三維空間微位移的精準控制，操縱探頭和基底間保持相對穩定，以便獲得樣品表面信息。它既是SECM控制系統的基本組成部分，也是SECM實現納米級分辨率的關鍵技術之一。為了獲取樣品盡可能完整的信息，要求驅動位移空間相對樣品有較大的量程，可達到厘米級別。同時高分辨率要求必須是超精密定位，分辨率可達到亞微米。因此，SECM的驅動部分采用宏微兩級位移控制系統。宏定位采用步進電機，微定位采用壓電陶瓷。一個好的驅動控制電路是影響SECM位移精度的關鍵因素，因此本文著重于設計二級位移系統的控制電路。
步進電機宏定位
步進電機作為角位移的執行機構，當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(即步進角)。由于可以通過控制離散的脈沖個數來控制角位移量，從而可以滿足SECM準確宏定位的目的。步進電動機的控制占用大量的CPU工作時間，會影響了系統的整體性能。本驅動系統設計采用一種基于ARM微控制器的由L298構成的控制和驅動電路，既不占用CPU大量的時間，又能獲得良好的控制和驅動效果。
SGS公司的L298步進電機控制器的片內PWM斬波電路產生開關式控制繞組電流。該器件的一個顯著特點是僅需時鐘、方向和模式輸入信號。步進電機所需相位由電路內部產生，它產生兩相雙極性驅動信號和電機電流設定。L298內含兩個高電壓大電流雙橋式驅動器，可驅動電壓最高46V、每相2.5A的步進電機，組成的兩相雙極性的步進電機驅動電路，原理如圖2所示。由ARM芯片LPC2138輸出PWM信號，經過光電隔離器TLP521-2，再與兩個10口組合送入雙輸入四與門74LS08實現正反轉控制。SECM需要三維驅動，此處只畫出一路電路。
壓電陶瓷微定位
壓電陶瓷驅動電源
壓電陶瓷是利用電介質在電場中的壓電效應，直接將電能轉換成機械能，產生微位移的換能元件。因其高剛度、高頻響、推力大和高分辨率等優點，廣泛應用于航空航天、精密測量、生物工程、機器人等領域。驅動電源對壓電陶瓷和機構的微位移影響很大，故性能良好的驅動電源是實現高精度位移的關鍵。壓電陶瓷對驅動電源要求如下：一定范圍內連續可調、輸出穩定性好、紋波小、分辨率高。
壓電陶瓷驅動電源從原理講可以分為電壓控制型和電荷控制型。這里采用電壓控制型，由直流放大器芯片對控制電壓信號進行線性放大和功率放大，輸出0～150V連續可調的直流電壓。它決定著電源輸出電壓的分辨率和穩定性，是整個電源的關鍵。
高壓運放電路
Apex公司的PA69是一個高壓、高速功率運算放大器，可采用單，雙電源供電；轉換速率非常高，可達到200 V/μS；可以提供高達50mA的恒定輸出電流，其峰值輸出電流達100mA。PA69待機電流很小，一般不到1mA；具有限流保護功能。
選用的壓電陶瓷等效電容為0.1μF，需要0～150V的連續可調輸出電壓，頻率0～1 kHz(正弦波)，則所需轉換速率為：
S.R=2∏fV(1×10-6)=2π×1000×150×(1×10-6=0.94V/μS
所需最大負載電流為：
I=S.R×CL=0.94V/μS×0.1μF=94mA
所選定的PA69運算放大器符合要求，電路如圖3所示。其中引腳6、7為輸入，2為輸出，3和10以及8和1l外接補償電阻和電容，構成相位補償網絡，實現相位補償。1和2引腳之間接限流電阻，形成對運放的限流保護功能。
失調電壓補償
在室溫(25℃)及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加入失調電壓Vio。實際上指輸入電壓V=O時，輸出電壓Vo折合到輸入端的電壓是負
值，即Vio=-(V。lvk0)/Aio。
PA69的最大失調電壓為3mV，對分辨率要求為10mV以下的壓電陶瓷驅動電源，PA69的輸入特性不能滿足設計要求，需要對電路的前級輸入進行優化。為了減小輸入失調電壓，在該電源的線型放大部分，采用由OP07和PA69組成復合放大電路。MAXIM公司的OP07具有高精度輸入失調電壓，最大為為75μV。由PA69和OP07組成一個新的具有負反饋的放大器，其輸入失調電壓為75μV×30=1.5mV
放大器的輸入電壓為0-5V，輸出電壓為0-150V，故根據特性曲線選定PA69的閉環放大倍數為30。整體電路如圖3所示。
實驗及結論
壓電陶瓷步進電機經過機械裝配后，采用以上電路進行實驗，測得精密定位儀最大量程可達2.5cm，最小分辨率可達lOnm，較好地滿足了SECM對探針的定位要求，在實驗中得到了很好的應用。
參考文獻：
1.邵元華，掃描電化學顯微鏡及其最新進展，分析化學，1999,(11)
2.穆紀干、毛秉偉、卓向東、顏恩柔，掃描電化學顯微儀一電子控制系統的研制，廈門大學學報(自然科學版)，1994,(S1)
關鍵詞：潔牙機換能器 壓電換能器 加壓力矩 等效電路 導納圓
1.序言
潔牙機換能器是超聲潔牙機的關鍵部件，其性能直接影響潔牙機性能，在研究測試中發現，對潔牙機換能器的施加不同力矩時，潔牙機換能器的性能有很大的影響。本文采用導納圓方法對潔牙機換能器進行研究，找出其合理的加壓力矩。
2.潔牙機換能器
潔牙機換能器利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將超聲波發生器產生的超聲電能轉換成超聲振動的機械能，并通過變幅桿進行振幅放大后傳輸到工作尖上，利用超聲波在水里產生“超聲空化” [1]以及工作尖縱向振動達到去除牙斑、粉碎牙結石的目的。
潔牙機換能器主要包括：超聲發生器、后蓋板、壓電陶瓷、電極片、變幅桿和工作尖等組成。由超聲波發生器產生一定頻率的交流電壓信號，施加到壓電陶瓷片上，利用壓電陶瓷片的逆壓電效應，轉換為沿軸向機械振動，機械振動經過變幅桿放大作用后，在工作尖末端，轉換為振動幅度達到20微米至40微米機械振動。
3.等效電路法
等效電路方法利用力學、電學以及聲學現象存在的規律及微分方程數學表述上的相似性，將力學與聲學系統轉化為直觀的電路系統，是研究多物理場系統的一種有效方法。[2]
通常壓電換能系統都有若干振動模式，每種模式對應各自的諧振頻率。若離某一諧振頻率很遠的頻帶上其它諧振的影響較小，則在力—電壓模擬系統中，任意振動模式的壓電換能系統在此諧振頻率附近的集總參量可表示為如圖2 所示的等效電路圖[3]
由圖2可以看出，等效電路是由并聯支路和串聯支路組成，在并聯支路中，R0 為反映壓電換能系統介電損耗的等效電阻，其值通常很大，C0 為受夾持壓電振子（沒有壓電應變量）的兩級間等效電容，其大小與換能系統的介電常數ε 和壓電陶瓷片的長、寬、厚有關。動態電感L1、動態電容C1和動態電阻R1 串聯組成動態支路。
在圖2 中，設Y 表示換能系統等效電路的總導納，Y0 和Y1 分別為靜態導納和動態導納，則等效電路的總導納Y 為：
其中：Y0 和Y1 分別表示換能系統的并聯電路的導納和串聯電路的導納。G 和B 分別表示換能系統的總電導和總電納。G1 和B1 分別表示串聯電路的電導和電納。
消去式中的ω 得：
在諧振頻率附近， 換能系統的導納隨頻率變化的軌跡是一個圓， 圓心位于 ，半徑為1/（2R1），可得到如圖3所示的導納圓， 利用導納圓圖，可以求出壓電換能器的等效電路和其他一些重要的參數，從利用導納圓計算等效電路各特征參數，得到換能系統動態特性緊密相關的主要參數如：
靜態電阻、靜態電容、動態電阻、動態電感、機械品質因數Qm 和有效機電耦合系數Keff等
4.實驗測量原理和結果
以 28kHz潔牙機換能器為分析對象。
將后蓋板固定在專用夾具上，用扭矩扳手從1N.m 增加到8N.m 逐漸擰緊變幅桿，每增加1N.m 后，分別專用儀器測試。數據詳見表1
4.1靜態電容C0與加壓力矩T之間的關系
關鍵詞：亥姆霍茲共振腔；共振頻率；光電開關；自動排放；LabVIEW
中圖分類號：TTP272 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2012）31-7589-03
家用洗手間會采用放置固體芳香劑或噴灑空氣清新劑的方式改善空氣的味道，公用洗手間會用點燃蚊香的方式。這些方式存在資源浪費、效果不佳的缺點。本文設計了一個基于亥姆霍茲共振腔的香味自動排放裝置，當不使用洗手間時，沒有香味排出；如果有人使用洗手間，光電開關自動觸發單片機，產生亥姆霍茲共振腔的共振頻率信號，在共振頻率下，共振腔內的劇烈的空氣振動會推動出口處的空氣，腔內放置的香料的香氣就會散發出來。單片機設置香味排放兩秒，兩秒后自動停止排放，既能有效地排放出香味，又避免了浪費。
1 排放原理
對于一個亥姆霍茲共振腔而言，當其內部空氣受到聲波的作用時，在聲波波長遠大于共振腔幾何尺度的情形下，可以認為共振腔內空氣振動的動能集中于管道內空氣的運動，勢能僅與腔體內空氣的彈性形變有關。這樣，這個共振腔是由管道內空氣有效質量和腔體內空氣彈性組成的一維振動系統，因而對施加作用的波動有共振現象，其共振頻率為：
[f=ω2π=c2πSlV]
公式中[f]是亥姆霍茲共振腔的最低共振頻率，[c]是聲速，[S]是管道的截面積，[l]是短管的等效長度，[V]為空腔體積[1]。
本排放裝置在亥姆霍茲共振腔的基礎上做了一些改裝[2]，改裝后的腔體如圖1所示，采取的玻璃腔的規格為：25cm*12.6cm*12cm。玻璃腔的玻璃厚度為5mm。在底部開有一個5cm的大孔作為產生聲波的揚聲器的接入口。在頂部開著9個直徑為6mm的排氣孔。由公式計算出玻璃腔的共振頻率約為142Hz。圖2是不同頻率的排放效果（為了便于觀察，用蚊香片代替香料進行實驗）。
由圖2知，當揚聲器振膜的振動頻率與共振腔的共振頻率一致時，產生諧振，劇烈而高速的空氣振動在管道出口用力推動管道里的空氣，排放效果最為明顯；揚聲器工作在其它頻率時，蚊香片的煙幾乎不能排放出來。
2 系統介紹
本系統的框架圖如圖3所示。信號發生器產生的信號經過功率放大器放大后作為揚聲器的驅動信號，亥姆霍茲共振腔放置在封裝后的揚聲器上，共振腔的底部開孔作為揚聲器的接入孔。為了驗證共振腔的共振頻率是否對應于排放效果最為明顯的揚聲器的振動頻率，采用壓電陶瓷片、數據采集卡以及LabVIEW軟件作為數據的采集與分析裝置。利用光電開關，實現自動化控制。在共振腔內放置好芳香劑，當光電開關檢測到活動的人時，自動觸發單片機，啟動正弦信號發生器，使揚聲器產生亥姆霍茲共振腔的共振頻率信號，此時共振腔就會排放出香味。
1）信號發生器
信號發生器的輸出信號為正弦信號，進行功率放大后驅動揚聲器工作，產生聲源作為腔體工作的能源。用單片機設計了一個頻率和峰峰值都可調的簡易信號發生器[3]。使用排放裝置時，信號發生器按照與共振腔的共振頻率一致的頻率來工作。
2）揚聲器
本實驗采用的揚聲器規格為：4[Ω]、3W。這樣的小功率揚聲器能大大減少能量的消耗，通過功放的作用讓較低電壓的信號輸入便足以驅動揚聲器的工作。
3）光電開關檢測裝置
在單片機程序中，把紅外檢測裝置的觸發方式設為可重復觸發，光電開關的信號輸出端接單片機的外部中斷輸出口，并設置單片機的外部中斷觸發方式為脈沖觸發[4]。當光電開關感應到有人活動時，信號輸出端輸出一個高電平（在此之前程序默認為低電平）并持續幾秒，之后當人靜止時信號輸出端輸出低電平，當人再次活動時信號輸出端再次輸出高電平并持續幾秒。此時標志變量置1，外部中斷被觸發，信號發生器啟動，并持續工作2秒，2秒后定時器中斷程序將標志變量清零。這樣就實現了有人使用洗手間時，系統自動排放香味并持續2秒。
4）壓電陶瓷檢測和數據采集分析裝置
利用蚊香片進行實驗，當揚聲器的振動頻率與共振腔的共振頻率一致時，從視覺上看，排放的效果達到最佳。為了進行定量分析，采用具有壓電效應的壓電陶瓷作為檢測的工具。用一塊小木板將兩塊壓電陶瓷片固定在共振腔上，壓電陶瓷片放置在排放孔處，當有氣體排出時，會沖擊壓電陶瓷片，使其產生形變，從而產生電壓信號。通過NI-USB6009數據采集卡送入計算機，用LabVIEW軟件繪制頻率—電壓曲線[5]。
3 結果及分析
實驗過程中，把信號發生器的輸出電壓的峰峰值調節為0.5V。調節信號發生器的不同頻率，記錄壓電陶瓷片電壓信號的峰峰值，繪制成的頻率—電壓峰峰值曲線如圖4所示。由圖可知，電壓峰峰值在136Hz左右，達到了最大值，與計算出的理論共振頻率142Hz較為接近。證明了在共振頻率處，腔體的振動達到了最強，氣體排放達到最佳效果。采集到的電壓數據與壓電陶瓷片的固定方位有關，并受外界干擾，如果改進檢測裝置，有望得到更接近理論值的頻率。
4 結論
利用壓電陶瓷檢測裝置和數據采集分析裝置，經過多次實驗調試，達到了讓亥姆霍茲共振腔作為一個香味排放裝置的最佳效果。并通過光電開關和單片機程序設計，實現了自動控制，可以應用于洗手間的香味自動排放，有效實現空氣改善，避免了香料的浪費，也防止洗手間的香味濃度過大而讓人不舒服，具有實用價值。
參考文獻：
[1] 馬大猷.亥姆霍茲共鳴器[J].聲學技術，2002（Z1）：1-3.
[2] 王憲緯，遲逞，曹正東.聲共振排煙設計實驗[J].實驗室研究與探索，2008（8）：52-53.
[3] 郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社，2009：147-166.
0～10
9L之間調控點樣體積。以此為基礎，結合三維精密位移控制技術，研制了一種基于壓電振蕩原理的微陣列生物芯片點樣系統。對點樣系統的點樣體積、點樣密度、點樣精度等參數進行了測試，結果表明，此點樣系統的最小點樣體積可達320pL，點樣密度可達4000點/cm2，并能夠實現界面圖案化制備。
關鍵詞壓電振蕩；微陣列點樣儀；玻璃毛細管點樣針；圖案化制備
1引言
微陣列生物芯片技術是將生物學、化學、物理學、光學、微電子學和計算機學高度結合形成的一項交叉技術。它成功地實現了生物信息的大規模集成以及生物實驗從串行過程向并行過程的轉變，大大加快了生命科學研究的過程。微陣列生物芯片技術已被廣泛應用于生物組學研究、臨床診斷、藥物篩選、微生物檢測等領域[1～5]。合成后點樣是制備微陣列生物芯片的主要方法，即將預先合成的核酸片段、多肽分子等生物樣品按照一定順序固定于基片上，形成要求的陣列，然后將待測的生物樣品與標記的已知生物樣品進行雜交反應。按照點樣針是否與芯片基底接觸將微陣列生物芯片的點樣方式分為接觸式（Contact）和非接觸式（Noncontact）兩種。接觸式點樣方式的點樣針尖端的液體與芯片基底直接接觸，通過毛細作用形成陣列點。接觸式點樣能夠獲得高密度點陣，且c樣量小（通常為pL級），但定量分析準確性及重現性較差，且因存在交叉污染而不能重復點樣[6～9]。非接觸式點樣方式主要有兩種：一種是基于電磁微閥原理，通過注射泵和精密電磁閥協調工作實現非接觸式的定量點樣，此方式一般需要預增壓和預點樣過程，使點樣液滴體積達到穩定，操作比較復雜，最小點樣量可以達到10
1L；另一種是基于壓電噴墨的點樣原理，通過壓電陶瓷的形變擠壓毛細管壁，使點樣針的尖端噴出微小液滴，最小點樣量可以達到10
1L，具有定量分析準確、重現性好等優勢。但由于壓電驅動元件和點樣針集成在一起，當點樣針發生堵塞等問題時不易清洗，且點樣頭造價昂貴[10～13]。
針對目前非接觸點樣方式存在的不足，本研究采用了一種毛細管點樣針與壓電驅動裝置分離的以壓電振蕩為驅動力的非接觸式點樣方式，應用于微陣列芯片制作。由于采用了分離設計，可以單獨對毛細管點樣針進行更換和清洗，避免了壓電噴墨點樣頭容易堵塞的問題。此裝置通過改變壓電陶瓷的振幅和頻率，可在10
0～10
9L之間調控點樣體積，優于傳統的基于電磁微閥原理的點樣方式。以此為基礎，結合三維精密位移控制技術，研制了一種基于壓電振蕩原理的微陣列生物芯片點樣系統，并成功應用于微陣列芯片制備和界面圖案化修飾。
2實驗部分
2.1儀器與試劑
P2000激光拉制機、BV10磨針儀、B10058玻璃管（美國Sutter公司）；PhenomPro臺式掃描電子顯微鏡（復納科學儀器上海有限公司公司）；LuxScan10K微陣列芯片掃描儀（北京博奧生物有限公司）；BT125D精密電子天平（德國賽多利斯公司）；MM3C透反射金相顯微鏡（上海萬衡精密儀器有限公司）；AM4113TL顯微鏡（臺灣DinoLite公司）；P844.10壓電陶瓷（德國PI公司）；7105載玻片（江蘇飛舟玻塑有限公司）。三甲氧基硅烷（美國SigmaAldrich公司）；有機染料Cy3和Cy5（美國Sigma公司）；使用含30%甘油的水溶液為點樣液。
2.2壓電振蕩點樣原理及點樣頭結構設計
通過壓電陶瓷控制器對壓電陶瓷施加矩形電壓脈沖，使壓電陶瓷產生微小幅度的振動，即壓電振蕩。這種振動會對毛細管點樣針尖端內的液體產生軸向加速運動，由此產生的慣性力使液體克服表面張力、
粘性力等束縛，發生斷裂，在點樣針尖端噴出微小液滴（圖1）[14]。點樣液的物理性質（粘度、密度、表面張力）、點樣針尖端內徑、壓電陶瓷的驅動電壓、驅動頻率等參數都會對點樣過程造成影響。韋伯數（We，無量綱參數）可用于判定液滴能否從點樣針尖端成功脫落[15]：
12
其中，ρ為液體密度，d為點樣針尖端內徑，v為點樣針末端液體流速，r為液體表面張力系數。v由壓電陶瓷的驅動電壓和驅動頻率共同決定。所研制的點樣頭由壓電陶瓷、連接裝置、點樣針固定裝置和玻璃毛細管點樣針組成。玻璃毛細管點樣針的尾端通過硅膠管與蠕動泵連接，用于進樣和清洗。
2.3毛細管點樣針制備
采用激光拉制法將一根硼硅酸鹽毛細玻璃管拉成兩段，以獲得毛細管點樣針。硼硅酸鹽玻璃不僅具有良好的微加工性能和化學穩定性，而且成本較低。利用激光對硼硅酸鹽毛細玻璃管進行局部加熱，以消散其內應力。當玻璃管被加熱部分接近或達到熔融狀態時，在表面張力的作用下，玻璃沿毛細管軸向均勻收縮，此時在玻璃管兩端施加拉力，使其從被加熱的部分分成兩段，然后在空氣中急速冷卻，從而獲得內腔呈圓錐狀的毛細管點樣針（圖2A）。對所拉制的毛細管點樣針尖端進行垂直研磨拋光，
使其形成幾何對稱、端口平整、內徑在μm量級的噴嘴結構，可應用于微陣列生物芯片點樣。如圖2B所示，制作的毛細管點樣針尖端平整，管壁均勻。使用硅烷化試劑處理研磨后的毛細管點樣針，提高其內壁的疏水性。硅烷化處理能夠有效降低噴嘴內壁與溶液之間的相互作用，減少溶液的流動阻力，有利于液體的噴射，同時避免了在噴嘴口處產生樣品“流掛”現象[16]。
2.4微陣列生物芯片點樣系統外觀及內部結構
以壓電振蕩驅動的點樣頭為基礎，結合三維精密位移控制技術，研制了一種新型微陣列生物芯片點樣系統。如圖3A所示，儀器系統的前蓋、兩側及頂部均采用透明式設計，便于實驗的觀察與操作。三維位移平臺選用直角坐標式結構，含有3個彼此獨立的運動單元，運動方向相互垂直，構成三維運動空間（圖3B）。直角坐標式位移平臺的機械系統較為穩定，在工作過程中振動較小。
2.5軟件設計
軟件控制主要分為位移控制、點樣參數設置、點陣參數設置和圖案化參數設置4個功能部分。位移控制功能可以將毛細管點樣針移動至接近點樣基底表面的地方；點樣參數設置區域可以設置點樣的幅值、頻率和重復點樣次數等參數；點陣參數區域可以設置單個點陣的橫向、縱向點數和點陣間距，以及多個點陣的橫向、縱向陣數和陣間距；圖案化參數設置需要輸入目標圖案的BMP位圖格式文件。
3結果與討論
3.1點樣體積測試
選用內徑20μm的毛細管點樣針測試所研制的儀器系統的點樣體積。由于單次點樣體積在nL級別，難以直接精確測量其體積。為了使測得結果更接近真實值，采用測量點樣液滴的質量間接得到點樣液滴體積的方法。首先，取1mL樣品溶液，測得其質量為1.083g，獲得樣品溶液的密度為1.083g/mL。然后，固定驅動頻率為5Hz，
設置不同的驅動電壓，每種驅動電壓點樣10000次，收集10000個液滴并稱重得到其質量，通過與密度值進行換算即可得到10000個液滴的體積，進而得到單個液滴的體積。在每種點樣參數下，點樣液滴體積的測量均采用測量5次取平均值的方法，得到的單點體積與驅動電壓的關系如圖4所示。在驅動電壓為20V時，獲得最小點樣體積320pL；當驅動電壓低于20V時，點樣針尖端內液體所獲得的慣性力因無法克服液體表面張力、粘性力等束縛而無法噴出；當驅動電壓>20V時，隨著驅動電壓的增大，液體獲得的慣性力增大，點樣體積也隨之增大。
3.2點樣密度測試
選用內徑20μm的毛細管點樣針測試儀器系統的點樣密度。在驅動電壓25V、頻率2Hz、點間距160μm條件下，獲得的微陣列如圖5所示。從圖5可見，液滴粒徑大小規整、均勻、無衛星液滴，所獲得的液滴平均直徑約（108
SymbolqB@5）μm，接近商品儀器在接觸式點樣方式下所獲得的微陣列（單點直徑約100μm），優于其在非接觸點樣方式下所獲得的實驗結果（單點直徑
Symbol～200μm）。微陣列點陣密度達到4000點/cm2，表明所研制的儀器系統能夠制備高密度微陣列生物芯片。
3.3精度測試
選用內徑40μm的毛細管點樣針測試儀器系統的點樣精度。在驅動電壓40V、頻率2Hz、點樣間距1mm的點樣參數下，分別通過單次點樣制備單色染料（Cy3和Cy5）微陣列，同一位置重復點樣2次，制備雙色染料微陣列。如圖6所示，重復點樣所獲得的雙色液滴微陣列粒徑大小規整、均勻，陣列點平均直徑為（200
SymbolqB@8）μm；其中紅色染料（Cy5）信號平均值為1957
SymbolqB@63，綠色染料（Cy3）信號平均值為460
SymbolqB@29。此實驗結果表明，所研制的點樣系統具有良好的點樣精度，能夠實現不同樣品在同一位置的重復點樣。
3.4圖案化制備
為進一步考察儀器系統的性能，選用內徑40μm的毛細管點樣針，在驅動電壓40V、頻率2Hz、點樣間距260μm、1次點樣的點樣參數下制備離散圖案；在驅動電壓80V、頻率2Hz、點樣間距120μm、2次重復點樣的點樣參數下制備連續圖案。如圖7所示，在兩種情況下均能夠實現目標圖案的制備，對目標圖案的形狀和大小沒有要求。此實驗結果表明，所研制的基于壓電振蕩原理的微陣列點樣系統具有優良的點樣精度，不僅能夠應用于微陣列生物芯片制備，而且能夠實現界面圖案化修飾。
4Y論
分析了毛細管尖端液滴形成的條件，采用微加工方法制備了毛細管點樣針，并設計了一種新型非接觸式點樣結構，在此基礎上研制開發了一種基于壓電振蕩原理的微陣列點樣系統。此點樣系統使用毛細玻璃管作為點樣針，極大地降低了微陣列生物芯片的點樣成本，并且點樣針與壓電驅動裝置為獨立單元，可以單獨對毛細管點樣針進行更換和清洗。點樣體積、點樣密度、點樣精度、圖案化制備等實驗結果證明所研制的系統能夠應用于高密度微陣列生物芯片制備、能夠實現固定位置重復點樣和界面圖案化修飾，因此具有良好的應用前景和推廣價值。
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AbstractAnewtypeofpiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodehasbeendevelopedtoovercomethedisadvantagesoftraditionalnoncontactspottingmodesincludingcomplicatedoperationprocedure，cleaningdifficultyofspottingneedle，largesampleconsumptionofelectromagneticmicrovalveandhighspottingcostofpiezoelectricinkjetbasednoncontactspottingmode.Inthedevice，thecapillaryspottingneedleandthepiezoelectricdrivingdevicearetwoindependentunitsusedforreplacingandcleaningcapillaryspottingneedle.Theglasscapillaryspottingneedleispreparedbythelasermeltingmethodwithadjustablediameterandlowcost.Thesamplespottingvolumeofthedevicecanbeeasilyadjustedintherangeof10
0-10
9bychangingtheamplitudeandfrequencyofpiezoelectricceramic.Amicroarrayspottingsystemisdevelopedbythecombinationofthepiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodeandthreedimensionalprecisiondisplacementcontroltechnology.Themultipleparametersofaspreparedmicroarrayspottingsystemhavebeentestedincludingspottingvolume，densityofspotandspottingprecision.Theexperimentalresultsindicatethattheminimumvolumeofsinglespotwith320pLandthehighestdensityofspotwith4000spots/cm2canbeachievedbytheaspreparedmicroarrayspottingsystem.Furthermore，theaspreparedmicroarrayspottingsystemcanalsobeemployedtofabricatepatternedinterface.
關鍵詞：ADCP;測驗盲區；測驗精度
一、前言
隨著近幾年國民經濟的飛速發展，我國各個行業都逐步加快了現代化的進程，信息自動化技術實現了突飛猛進的從量變到質變的轉換。在這個過程中，水文行業在國外不斷引進了各種先進的測驗技術及設備，極大的改善了測驗環境及測驗精度，在數據采集的自動化、現代化方面邁上了一個新的臺階！
河道流量數據的采集是水文工作的重點之一。傳統的河流流量測驗儀器主要是采用的流速儀。流速儀法在過去的幾十年內廣泛的應用在人工測船、橋測、纜道測量和涉水測量。測驗歷時長、測驗精度不高成為了傳統測驗手段實施的瓶頸，尤其在極端環境下，傳統測驗手段已經不能再滿足水文測驗的要求。基于上述原因，我們于2008年引進了RDI公司的ADCP。
二、ADCP基本原理
ADCP 全稱聲學多普勒剖面流速儀(Acoustic Doppler Corrent Profiler)，是1982 年國際上發展的一種新的流速測量儀器，它是目前世界上最先進的測量流量技術。ADCP 是一種利用回波束聲學換能器所發射的聲脈沖在隨流運動的水體懸浮物質中所產生的多普勒效應進行測流的儀器。該儀器利用聲學多普勒原理測量水流速度剖面,具有測驗時間短、分辨率高、精度好、資料完整、信息量大的特點,特別適合于流態復雜條件下的測驗,與傳統的流速儀相比具有更高的測驗效率。
ADCP一般配有四個（或三個）換能器（電能于機械能之間相互轉換），換能器與ADCP中心軸線成一定夾角。每個換能器既是發射器又是接收器。換能器發射某一固定頻率的聲波（超聲波短脈沖），然后聆聽被水體中顆粒物散射回來的聲波（在這里我們假定顆粒物的運動速度與水體流速相同）。當顆粒物的運動方向接近換能器時，換能器聽到的回波頻率比發射頻率高；當顆粒物的運動方向背離換能器，換能器聽到的回波頻率比發射頻率低。我們利用這種效應（聲學多普勒效應），來測量水流速，公式如下：
注：Fd=聲學多普勒頻移； F=發射波頻率； C=聲波在水中的傳播速度；V=顆粒物沿聲波方向的移動速度。
三、ADCP測驗盲區
靠近聲學多普勒流速儀換能器一定的范圍。在該范圍內，聲學多普勒流速儀不能提供有效測量數據。聲學多普勒流速儀的換能器既是發射器也是接收器。兩者交替進行工作。當壓電陶瓷片受交流電激勵產生振動發射聲波后，壓電陶瓷片會產生余震。要等到余震衰減掉后壓電陶瓷片才能夠正常接收回波信號。余震衰減需要一點時間。這個時間乘以聲速即為聲學多普勒流速儀的盲區。
受ADCP自身測量原理的的影響，在利用ADCP測量斷面流量的時候，會出現測驗盲區。
所謂盲區，即ADCP的非實測區，主要集中在測流斷面的上、下、左、右四個邊界區域（頂部盲區、底部盲區、左、右岸邊盲區），該區域的流量需要通過實際測量區域數據外延來估算，如下圖所示：
圖1 盲區分布圖
Fig1.The distribution map of blanking distance
（1）頂部盲區：該區域的厚度大d=a+b+c。a、ADCP入水深度；b、ADCP盲區；c、二分之一單元尺寸
a、ADCP入水深度：ADCP入水深度隨著自然河流的具體情況略有不同，經驗參數為0.05～0.06米，水情允許的情況下，應實測入水深度；
b、ADCP盲區：ADCP測量原理中提到，每個換能器既是聲波發射設備，又是顆粒物背散射回來的聲波接受設備，當壓電陶瓷片震動發射聲波后，壓電陶瓷片會產生余震，要等到余震衰減刁后壓電陶瓷片才能正常接受回波信號。衰減時間乘以聲速即為ADCP盲區，對于我局使用的1200KHz的ADCP為零盲區型，采用零盲區技術能使發射聲波脈沖后的余震立即消除，從而使儀器盲區為零，使得ADCP在極淺的水深條件下科正常工作。但這僅是設備的出廠指標，在實際測流中，為消除換能器與水流相互干擾對測流經度的影響，我們仍要設置某一數值，建議值0.05米；
c、二分之一單元尺寸：之所以要加上此段距離，是因為不斷發送的脈沖與脈沖之間有一定距離，其大小約等于二分之一個單元尺寸。
影響表層盲區厚度的三個因素中，只有ADCP入水深度是我們人為可以精確控制的，而ADCP盲區和二分之一單元尺寸都是由于聲波自身特性導致，通過向導命令及用戶命令初始化ADCP設備的時候，其參數只是理論值，實際大小應以測驗情況為準。
下圖為獻縣楊莊實測數據流速大小等值圖，參數設置為：ADCP入水深度0.06米；ADCP盲區0.05米（此數值為經驗參數，主要為了減小旁瓣對主瓣的影響，具體ADCP盲區厚度根據實際測驗為準）；單元尺寸為0.26米。從圖上查的水面（0.00米）到實測區域的厚度為0.35米。根據上述原理d=a+b+c既得出b、c影響的盲區厚度為0.29米。
圖2 實測數據流速大小等值圖
Fig2.Measured data speed of flow size chorogram
（2）底部盲區
底部盲區又叫旁瓣區，是因為底部盲區是由靠近河底的水層受到旁瓣影響產生的。旁瓣影響的底部盲區厚度取決與ADCP聲束與儀器軸線的夾角。夾角為20度時，旁瓣影響的底部盲區厚度約為水深的6%；夾角25度時，約為10%；30度時，約為15%，如圖所示，粗黑實線即為斷面河底情況，細黑實線為河底臨界有效數據，將其岸邊部分放大后效果如下：
圖3岸邊部分放大效果圖
Fig3.The amplification effect chart of shore part
對于我局使用的ADCP聲束與儀器軸線夾角為20度的情況，基本符合底部盲區厚度為水深的6%，誤差較大的地方是受橋墩影響導致的。
（3）岸邊盲區（淺水區域）
岸邊盲區的產生主要是因為水深較淺，三體船不能靠近或者ADCP不能保證在垂線上至少有一個或兩個有效測深單元。其水面寬度為水邊至兩個單元層數臨界處，為控制測驗經度，實測過程岸邊盲區寬度需精確測量。
四、ADCP測驗盲區與流量測驗精度的關系
在流量測驗中，非實測區域的流量要通過實測去流量外延估算求得，獻縣楊莊測流單測次標準流量列表如下，由表中可以看出，在四個非實測區域，表層和底層估算的流量所占比重相對較大 12.3%、15.8%，
而估測區域流量的大小和盲區尺寸有著直接關系，并且這兩個區域的大小ADCP盲區及單元尺寸有著密切關系，因此，我們在實測過程中，如果水深較淺，應盡量采用較小的單元尺寸，以便減小表層及河底非實測區厚度，提高ADCP實測流量在總流量中所占比例，從而提高測驗經度。然而當水深較大時候，單元尺寸過小，會使得測速垂線上數據點多，并且會使剖面深度降低 ，因此，水深較深時，應采用大單元尺寸。
另外，上圖標準流量列表中右岸流量為負值，是回水導致，實測過程中應注意第一個數據采集位置水深最少兩個單元尺寸。
五、總結：
從自然生態的角度來看，不少人并不喜歡城市，因為城市不過是“鋼筋混凝土的森林”，缺乏自然的生動、清新和靈活。但如果讓城市的大樓變成毛茸茸的感覺，城市會變成什么樣呢？
你是否體驗過躺在草叢中，看著藍天發呆，不知不覺地舒舒服服睡上一覺那樣宜人的感受？尤其那毛茸茸的草穗讓你覺得環境是如此的心曠神怡。然而，設計師卻讓我們的向往在城市中變成了現實，將摩天大樓設計成了毛茸茸的草穗，這就是毛茸摩天大樓。
從外觀上來看，毛茸摩天大樓就像是“生長”在城市中的一株株草穗，尤其像長長的蘆葦穗。風兒吹拂的時候，這些大樓雖然從整體上不能像真的蘆葦那樣來回晃動，但是它們表面的一根根纖毛可以隨風飄動，好像大樓突然之間就擁有了生命力。透過寬敞透明的落地窗欣賞城市美景時，建筑表面飄飛的茸毛為景觀增添了趣味的背景。每當夜晚來臨之后，在毛茸大樓表面的數千個小型LED燈會開啟，柔和的光芒透過茸毛照射出來，令毛茸大樓特別有質感。
當然，設計師不單純是為了美觀才設計出這些繁復的毛毛，它們還有實際的環保用途。這些毛毛其實是一根根壓電纖維，在風力的推動下，可以不斷地產生電能。可以說，每一根毛毛就是一個小小的風力發電機。無論白天還是黑夜，它們都在風兒的推動下持續地發電。與現在的扇葉狀風力發電機相比，壓電纖維發電不僅成本低，噪聲也很小。風吹壓電纖維的聲音就像是來自草地上的“沙沙”聲，不但不會令人煩躁，而且可以安撫心靈。
這些獨特的毛毛讓這些建筑一下進入了生態建筑的行列，每天把風能轉化成的電力，足夠建筑內居民的日常用電。由于減少了對石化能源的使用，不僅可以為遏制全球變暖做貢獻，而且可讓城市逐步告別熱島效應，未來的城市不再是一座座“火爐”。
正是因為會涌現出越來越多像毛茸大樓這樣的生態建筑，未來的城市將告別“千城同貌”的歷史。未來的城市景觀設計師和建筑設計師們都將把美觀、生態、節能的種種要素考慮進去，讓每座城市都能結合本土的自然風貌和文化特色，成為一座座各具個性的生態之城。
小鏈接：什么是壓電纖維
壓電纖維是壓電材料的一種，它們在壓力作用下會產生電壓，從而在與之相連的電線中產生可供人們使用的電流。壓電材料往往包括一些晶體（如閃鋅礦、石英等）。在壓力作用下，這些晶體的電荷會不均勻分布，造成正負電荷向兩端逃逸。目前常用的一次性塑料打火機中，就安裝有壓電材料，基本上是壓電陶瓷。我們按下打火機按鈕時，壓力讓壓電陶瓷產生電流，發出電火花，從而引燃打火機。在毛茸大樓中，隨風飄飛的壓電纖維會產生壓迫形變，這些壓力就可以讓纖維產生電流。可見，毛茸大樓中的壓電纖維其實就是把來自風的動能轉化為電能。
關鍵詞：無線智能骨料；混凝土裂縫監測
一、引言
基于壓電智能骨料的混凝土結構健康監測技術已經取得了豐碩的成果，李宏男、孫威、閻石等[1-2]在該領域開展了相應的研究。但在完成橋梁健康監測任務時需要大量地布置線纜。這樣不僅耗費大量的材料費和人工費，而且在出現故障時，對于健康監測系統的維護工作也比較繁重。在此背景下無線健康監測技術受到越來越多學著的關注 [3]，由于其成本低、靈活性高、安裝維護容易等特點，正在逐步取代傳統的有線數據傳輸技術。
二、無線智能骨料監測節點
無線智能骨料健康監測節點主要由壓電智能骨料和信號收發模塊兩部分構成。壓電智能骨料實現信號采集功能，信號收發模塊實現信號傳輸功能。將兩者焊接、封裝，即為無線智能骨料健康監測節點，如圖1所示。
基于IEEE802.15.4的Zigbee技術，由于具有無線網絡的自組織、自愈能力強，通信可靠，功耗低，成本低，網絡容量大，數據安全等特點，已經逐漸成為無線通信技術的首選方案。本裂縫監測系統，需要以較高的采樣率把各個無線智能骨料節點數據，傳輸到終端進行處理和分析。因此，Zigbee技術適合作為本系統的無線網絡技術。
圖1 無線智能骨料健康監測節點
三、裂縫損傷監測方法
本系統采用壓電陶瓷的波動法主動監測技術，從監測信號中提取敏感因子，選定信號幅值作為損傷特征參量。而對損傷的判定還需要對特征參量進行量化，從而確定損傷特征指數，這樣才能更加直觀便捷的對損傷進行判定。故本文提出以信號能量作為表征結構損傷的特征指數。所謂能量值，即將信號幅值的離散化后對其絕對值的平方進行積分。設Ei為某一時刻的能量值，取Eh為健康狀態時的能量值，那么結構的相對健康程度可以表示為
通過此式不難看出，當結構處于健康狀態時，Hi=1，當結構完全失效時，Hi=0。而實際健康監測中，常常當結構嚴重損傷時損傷指數越大，故本文采用DI值作為損傷指數。
四、 試驗驗證
本次試驗選用的是結構中的常用構件鋼筋混凝土梁單元作為監測對象。其尺寸采用1：3的縮尺模型。壓電智能骨料（SA）在澆筑前預埋在構件中，具體布置形式如圖2所示。通過人工加載方式模擬裂縫損傷產生的過程，加載設備選用的是10KN的液壓千斤頂。試驗構件的不同損傷狀態如圖2所示。
圖2 試件尺寸及傳感器布置
試驗中利用本系統對梁構件進行實時在線監測，信號的發射與采集間隔10s掃描一次，為了排除噪聲等外界因素的干擾造成局部數據不穩定，本次試驗對每一狀態連續掃描100次。
圖3 四種狀態下的損傷指數曲線
從計算后的整個實驗過程中的損傷指數歷史曲線。從該圖中明顯可以看出，當結構處于沒有裂縫的健康狀態時，損傷指數DI值一直處于0軸上下波動。當結構出現第一次裂縫（輕微損傷）時，損傷指數會增長到40%左右；隨著裂縫的增多，進入本文定義的中度損傷狀態，損傷指數的波動范圍處于60%-70%之間；最后，致構件破壞失效，損傷指數則跳到80%左右。因此，當結構處于不同的狀態時，本系統可根據監測結果準確的反映出了結構所處的損傷狀態。
五、結語
本文開發了一套基于無線智能骨料的混凝土裂縫監測系統，該系統可以有效地對混凝土結構裂縫進行現場監測。由于系統的開發利用無線傳感器網絡技術，在完成監測任務時，大大減小了材料與人工費用，減少了因為布置線纜所需的維護工作。因而，將其應用于結構健康監測領域中具有廣闊的應用前景。
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