什么是压电电压传感器？

压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料，在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用。

压电材料在压电传感器件中的应用多种多样，其核心在于机械能和电能的相互转换：压电材料受机械振动（压电振动传感器）、声波传导（压电声传感器）等机械外力作用时晶格形变，引起极化状态的变化，输出传感电信号，或通过对压电材料受电场作用产生的形变进行测量来反映电场大小（压电电压传感器）。

压电电压传感器工作原理如图1所示，其主要基于逆压电效应，将施加于压电材料上的电信号转换为位移或者形变信号，再进一步通过其他方式进行检测，进而实现对电压信号的量测。

图1 压电电压传感器检测示意图

压电电压传感器可分为基于应力检测的压电电压传感器、基于光检测的压电电压传感器和基于电容值检测的压电电压传感器。

1 基于应力检测的压电电压传感器

压电电压传感器研究早期，K.Kawamura等使用压力传感器对压电材料的电致应变进行检测，如图2所示。检测电压峰值可达26kV，测量误差小于2%，频率测量范围0~2.5kHz。但此类传感器检测范围和精度易受附加压力传感器限制，且需额外电源供电，增加了电压传感器的复杂性，难以满足新型传感器小型化、无源、抗干扰能力强等要求，实际应用困难。

图2 基于应力检测的压电电压传感器

2 基于光检测的电压传感器

相比于基于应力检测，通过利用无源光学器件测量压电材料形变更为便捷。K.M.Bohnert等将石英压电晶体与双模光纤联用，通过检测光纤中的相干光相位变化对压电材料形变进行测量，频率测量范围50Hz~11kHz，测量电压高达520kV，但其设备体积较为庞大；另有研究人员联用PZT等高压电性能陶瓷多晶与光栅器件，将难以准确测量的压电材料形变转换为光栅中心波长变化进行检测，有效提高了测试精度。

G. Fusiek等使用多个厚度为4mm的PZT压电陶瓷片构成叠层结构，以放大压电陶瓷在同等电压下的位移大小。传感器最大量程5kV，频率测量范围50Hz~20kHz。研究者采用外加铝制结构对压电陶瓷到光纤光栅的位移进行传递，减小了对单个压电陶瓷片厚度的要求，但位移的多次传递可能引入额外的测量误差。

3 基于电容值检测的电压传感器

此外，Xue Fen等将两层极化方向相反、两端固定的PVDF压电薄膜叠加成电容的上电极，外加固定的电容下电极组成压电式电压传感器。当外加电场变化时，PVDF薄膜发生弯折电容极板结构变化，导致电容值发生变化，通过实时测量电容值来反推外加电场的信息。

尽管压电聚合物薄膜（PVDF）在厚度方向的伸缩振动谐振频率远高于普通压电陶瓷，可获得接近10MHz宽频带响应和22kV/cm的测量量程，但由于其压电系数远远小于普通的压电陶瓷，形变通常在nm级，即使使用光学器件也很难对其检测，因此使用PVDF进行电压/电场传感研究的难点在于将微纳级形变转换为其他可测、易测的物理量。

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。

汽车发动机凸轮轴(VVT)位置传感器的描述

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描述

进气凸轮轴的可变气门正时（VVT）传感器（G信号）由磁铁和MRE元件组成。

VVT凸轮轴主动齿轮有一个信号盘，信号盘的外圆周上有3个齿。

齿轮旋转时，信号盘和耦合线圈间的气隙会发生改变，从而影响磁铁。

结果，MRE材料的电阻就会发生波动。

凸轮轴位置传感器将齿轮旋转数据转换为脉冲信号，并将这些脉冲信号发送到ECM来确定凸轮轴角度。

ECM利用此数据来控制燃油喷射时间和喷油正时。

曲轴位置信号盘有34个齿。

发动机每转一圈，耦合线圈产生34个信号。

ECM根据G信号和实际曲轴转角，来检测正常的曲轴转角。

ECM还根据NE信号来检测发动机转速。

故障部位检查是否有其他DTC输出（除DTCP0340、P0342或PO343以外）

1

(a）将智能检测仪连接到DLC3。

（b）将点火开关置于ON位置。

（c）打开检测仪。

(d)选择以下菜单项：Powertrain/Engine and ECT/DTC。

（e)读取DTC。

结果

结果

转至

输出 DTC P0340、P0342或P0343

A

输出 DTC PO340、PO342或PO343以及其他DTC

B

提示：

如果输出了除P0340、P0342或P0343外的其他DTC，

应先对其他DTC进行故障排除。

·进气凸轮轴位置传感器电路断路或短路

·进气凸轮轴位置传感器

·进气凸轮轴正时齿轮

·正时链条跳齿

· ECM

·进气凸轮轴位置传感器电路断路或短路

·进气凸轮轴位置传感器

·进气凸轮轴正时齿轮

·正时链条跳齿

· ECM

·进气凸轮轴位置传感器电路断路或短路

·进气凸轮轴位置传感器

·进气凸轮轴正时齿轮

·正时链条跳齿

.ECM

进气侧：

（1）在传感器O形圈上涂抹一薄层发动机机油。

（2）用螺栓安装1号凸轮轴位置传感器。

扭矩：10 N*m(102 kgf*cm,7 ft.*Ibf)

小心：

安装时，确保O形圈没有破裂或卡住。

（3）连接1号凸轮轴位置传感器连接器。排气侧：

（1）在传感器○形圈上涂抹一薄层发动机机油。

（2）用螺栓安装1号凸轮轴位置传感器。

扭矩：10 N*m(102 kgf*cm,7 ft.*Ibf)

小心：

安装时，确保O形圈没有破裂或卡住。

（3）连接1号凸轮轴位置传感器连接器。

DTC号

DTC检测条件

将点火开关置于ON位置2秒钟或更长时间后，至进气凸纶轴位置传感器电路断路或短路ECM的输入电压保持在0.3V或更低，或者保持在进气凸轮轴位置传感器4.7V或更高并持续5秒钟以上。

P0340

（单程检测乏辑）

起动时，无凸轮轴位置传感器信号传送至ECM。

（双程检测逻辑）

凸轮轴位置传感器的输出电压为0.3Ⅴ或者是更低保持5秒钟。

P0342

（单程检测逻辑）

凸轮轴位置传感器的输出电压为4.7V成更高并持续5秒钟。

P0343

（单程检测逻辑）

P0365

凸轮轴位置传感器

“B”电路（B1）

1.发动机凸轮轴位置传感器电路断路或短路

2.排气凸轮轴位置传感器

3.排气凸轮轴

4.正时链条跳齿

5. ECM

P0367

“B”电路低输入（B1）

1.发动机排气凸轮轴传感器电路断路或短路

2.排气凸轮轴位置传感器

3.排气凸轮轴

4.正时链条跳齿

5. ECM

P0368

“B”电路高输入（B1）

检查是否有其他DTC输出（除DTCPO340、P0342或PO343以外）

1.发动机排气凸轮轴位置传感器电路断路或短路

2.排气凸轮轴位置传感器

3.排气凸轮轴

4.正时链条跳齿

5. ECM

检查是否有其他DTC输出（除DTCP0340、P0342或PO343以外）

(a）将智能检测仪连接到DLC3。

（b）将点火开关置于ON位置。

（c）打开检测仪。

(d)选择以下菜单项：Powertrain/Engine and ECT/DTC。

（e)读取DTC。

结果转至

A

B

输出 DTC P0340、P0342或P0343

输出 DTC PO340、PO342或PO343以及其他DTC

提示：

如果输出了除P0340、P0342或P0343外的其他DTC，

应先对其他DTC进行故障排除。

线束连接器前视图：

（至凸轮轴位置传感器）

标准电压

检測仪连接:B21-3（VC)-车身搭铁

开关状态:点火开关置于ON位置

规定状态:4.5至5.0V

线束连接器前视图：

（至凸轮轴位置传感器)

标准电阻（断路检查）

条件

始终

始终

检测仪检测

B21-1 (VVI+) - B31-99

(G2+)

B21-2 (VVI-) - B31-98

(G2-)

规定状态

小于1Q

小于1Q

标准电阻（短路检查）

检测仪连接

B21-1(VVI+)或B31-99

（G2+）-车身搭铁

B21-2（VVI-)或B31-98

（G2-）-车身搭铁

条件

始终

始终

规定状态

10k欧姆或者更大

10k欧姆或者更大

标准电阻（断路检查）

检测仪连接

B21-3 (VC) - B31-70

(VCV1)

条件

始终

规定状态

10kQ或者更大

标准电阻（短路检查）

检测仪连接

B21-3(VC)或B31-70

（VCV1）-车身搭铁

条件

始终

规定状态

10kQ或者更大

提示：

设置这些DTC时，ECM进入失效保护模式。

在失效保护模式下，ECM根据发动机转速和节气门的位置来计算点火正时。

失效保护模式一直延续至检测到通过条件。

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