超声 波 传感器 什么是压电超声传感器？看完就懂了

什么是压电超声传感器？看完就懂了

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）。

声波信号可较好地实现与电信号的耦合与相互转换。根据声波激励、传播和耦合方式的不同，压电声传感器可分为压电超声传感器、声表面波传感器、电声脉冲传感器、压力波传感器等。

根据传感器耦合方式，超声传感器可分为接触式和非接触式，如图1所示。接触式超声传感器主要用于变压器、组合电器等大型电力设备监测，非接触式超声传感器则主要用于电力电缆、开关柜等电力设备检测。

根据国家电网企业标准《Q/GDW 11061—2017 局部放电超声波检测仪技术规范》要求，对于接触式超声传感器（不含前置增益），其峰值灵敏度一般不小于30dB(V/(m/s))，均值灵敏度一般不小于40dB(V/(m/s))，可以测到不大于40dB的传感器输出信号；对于非接触式超声传感器，在距离声源1m时，可以测到声压级不大于35dB的超声波信号。

图1 超声传感器的两种检测形式

由于受制造工艺限制、安装不当等因素的影响，电力设备难免会产生表面附着物、内部气泡、表面裂纹等缺陷，进而导致局部放电的发生。在电网运维周期中，主要通过超声传感器进行电力设备局部放电检测。

当电力设备内部绝缘发生局部放电时，会相应产生超声波信号，超声波信号沿绝缘介质和金属导体传导至外壳，并通过介质向外界传播。通过在电力设备外壳或设备附近安装如图2所示的压电超声传感器，可以耦合收集到局部放电产生的超声信号，进而判断电力设备放电情况。

图2 压电超声传感器

黎大健等以220kV的气体金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）母线腔体为研究对象，模拟了金属突起和金属悬浮等缺陷，使用谐振频率30kHz的压电超声传感器，通过对比超声信号时域波形、频谱、PRPD图谱中特征量，实现对产生局部放电的缺陷类型的判断，检测灵敏度达到10pC。

另针对电力变压器局部放电的精准定位问题，李继胜等基于超声波相控阵理论，研制了16×16阵元的平面超声波相控阵压电传感器阵列，传感器中心频率为150kHz，带宽达到100kHz。使用压电声源和油间隙放电等模拟实验对传感器阵元的性能进行了实测，结果表明，该传感器能够对变压器局部放电产生的超声波信号进行灵敏接收和定位。但具体应用时，仍需对超声波传播时会产生的反射、折射等复杂问题开展进一步研究。

此外，压电超声传感器也广泛应用于电力设备内部缺陷检测，其原理为通过检测超声导波在试件中的传播特性，实现对各种材料试件的宏观缺陷、组织结构、力学性能变化进行检测和表征，具有灵敏度高、衰减小、可定位的优点，受到研究者密切关注。

马君鹏等基于压电超声导波理论，提出了一种盆式绝缘子缺陷检测及定位方法。检测装置如图3a所示，包括超声导波检测仪、上位机和7个压电超声传感器（1个谐振频率为100kHz用于产生激励导波信号的发射型传感器，6个进行导波信号接收的接收型传感器）。

通过分析Lamb波在盆式绝缘子中的传播特性（见图3b、图3c），实现对绝缘子内部气泡、外部附着物及裂纹等缺陷的检测，且能够在微小缺陷引起局部放电等其他故障前及时预警，并精确定位缺陷位置，为盆式绝缘子损伤机理的研究和材料、工艺及安装方法的改进提供数据基础。

图3 基于压电超声导波检测绝缘子缺陷

另有研究者同样基于超声导波技术，设计了如图4所示的PZT—5压电超声传感器件组，用于输电线杆塔拉线棒缺陷的无损检测。通过对拉线棒中超声导波传播特性分析后，选取L(0,1)模态研究了不同截面损失率下缺陷和端面回波幅值的对应关系，实现了对拉线棒缺陷的准确识别。

图4 检测拉线棒缺陷的压电超声传感器

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。

什么是压电声表面波（SAW）传感器？看完就懂了

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）。

声波信号可较好地实现与电信号的耦合与相互转换。根据声波激励、传播和耦合方式的不同，压电声传感器可分为压电超声传感器、声表面波传感器、电声脉冲传感器、压力波传感器等。

声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）是一种沿弹性基体表面传播的声波，被广泛应用于压电传感器件。实际制备压电SAW传感器时，通常采用半导体加工工艺在压电基体上沉积叉值换能器（Interdigital Transducer，IDT），如图1所示。当电压加到发射IDT上时，发射IDT发射SAW沿基体表面传播，当温度、压力、气体等物理或化学参量作用到压电SAW传感器表面时，SAW传播速度/频率发生改变，并通过接收IDT测量得到。

图1 压电SAW传感器

压电SAW传感器主要基于延迟线作为其传感单元，因SAW传播速度与温度直接相关，被广泛应用于温度传感场景。

为提高传感器灵敏度，一般选取TCD较高的材料如铌酸锂、钽酸锂、石英晶体等材料。C.E.Weld等采用ST切割石英压电晶体（TCD=32×10-6/℃）作为SAW温度传感器敏感材料，分辨率可达0.22℃。另有研究者基于128°YXLiNbO3材料（TCD=75×10-6/℃）制备压电SAW温度传感器。实际应用时该类传感器受环境质量负载效应影响较大，需采用密封封装。

压电SAW温度传感器在电网中得到了实际应用，有研究者将压电声表面波温度传感器安装于某10kV配电网架空电力线路杆塔刀开关螺栓处，如图2所示，监测输电线路温度变化情况，实测结果显示传感温度数据变化趋势与实际用电情况相符。丁永生等选用（0,126°,0°）及（0,126°,39°）AT切石英构成差动式SAW温度传感器，用于配电变压器油温监测，其在常温段具有较好的线性度，在高温段具有较高的灵敏度，可有效补偿高温对器件性能的影响。

图2 基于压电SAW温度传感器测量电力杆塔温度

压电SAW传感器件也可用于气体传感，其基本原理是传感器表面敏感膜材料对特定待测气体产生吸附，导致声表面波传播速度波动，从而引起振荡频率的变化，完成对待测气体的检测。研究者先后基于YZ-LiNbO3、ST-X石英、128°YXLiNbO3等压电基体，完成对CO2、H2、NO2等气体的检测，有望用于变压器油分解气体检测和电缆脱气检测等领域。此外，压电SAW传感器在压力传感、湿度检测、角速度检测等方面也已展开实际应用。

与传统传感器相比，SAW传感器在检测精度及灵敏度等方面仍存在不足，亟需对器件性能和系统稳定性进行改善，需要从其物理结构、电路设计、器件拓扑、敏感膜选取和制备等方面来改善其精度、检测下限及稳定性。

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。

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