高效水泥基压电传感器：设计、性能与应用探索

"该文研究了物联网智慧传输领域中的高效水泥基压电传感器的设计、制备及性能评估，尤其关注其在车辆动态称重和结构健康监测中的应用潜力。" 物联网-智慧传输技术是现代信息技术的重要组成部分，它利用各种感知设备收集数据，并通过网络进行实时传输，实现智能化管理和服务。在本文中，研究者关注的是压电传感器，这是一种能够将机械应力转换为电信号的装置，特别适用于监测结构变化和负载。 压电传感器的核心是0-3型水泥基压电复合材料，这种材料由水泥作为基体，压电陶瓷作为功能相，并辅以超细介电粉体作为增强相。通过优化制备工艺和结构设计，研究人员成功研制出高效压电元件。实验结果显示，当PZT陶瓷含量为60vol.%，增强相含量为20wt.%时，材料的压电应变常数d3高达90.6pC，力学性能和微观结构显著改善，具有较高的劈裂抗拉强度（6.6MPa）和较低的吸水率（1.67%），且PZT颗粒与基体间的界面过渡区致密，确保了材料性能的稳定性。 封装材料是保护传感器免受环境影响的关键，研究团队以水泥和环氧树脂为主要原料，通过调整填料和环氧树脂的比例（胶环比3:1），制造出具有优异力学性能、低吸水性和温度稳定性的封装材料。封装材料的热膨胀系数K线性随温度升高而增大，具备良好的温度适应性。 传感器的工作可靠性与压电元件的布置密切相关。研究发现，压电元件置于封装材料上部时，传感器在0.31至1.09MPa的荷载范围内展现出良好的线性度；而在封装材料下部，传感器在0.31至2.34MPa的荷载范围内，线性度高达0.994，灵敏度达到1187mV-MPa。胶环比的变化会影响传感器的线性度，最佳线性度出现在胶环比为3:1时。 此外，传感器对正弦和脉冲荷载的响应迅速，无明显滞后现象，且在0.1至20Hz的频率范围内，输出电压随频率增加而增大，高于10Hz时趋于稳定。在实际应用中，如车辆以正常行驶速度通过传感器，输出在0.2秒内即可稳定。 在模拟路面交通复杂环境条件下，如温度疲劳、干湿循环和疲劳荷载测试中，水泥基压电传感器的输出特性保持稳定，输出电压随温度升高而增加，灵敏度和线性度在一定范围内有所波动但总体表现良好。 该研究展示了高效水泥基压电传感器在物联网智慧传输中的潜力，尤其是在基础设施监控和交通安全领域的应用前景。通过优化材料配方和结构设计，实现了传感器性能的提升，增强了其在实际环境下的适应性和稳定性。