压电式加速传感器 什么是弯曲式压电加速度传感器？

什么是弯曲式压电加速度传感器？

压电振动传感器通过安装在电力设备表面的振动传感器获得振动信号，从中提取特征量后结合数据处理及故障诊断方法，可有效评估运行状态，被广泛应用于电力设备在线监测或临时性检测。

压电振动传感器是感知振动信号的传感器件，按用途可分为压电加速度传感器、压电力传感器、压电力矩传感器、压电应力传感器等，其中以压电加速度传感器使用最为广泛。

按不同振动方式和传感器结构，压电加速度传感器可分为压缩式（d33型）、剪切式（d15型）、弯曲式（d31型）等。当驱动力较大而结构形变不大时，选择d33型转换；驱动力较小而形变大时，考虑选择d31型转换。

压缩式传感器较易获得外界振动激励，剪切式传感器压电材料d15系数较高、压电性能较好，是目前使用最多的两类振动传感器。然而这两类传感器输出响应调控主要基于选取不同规格质量块，谐振频率普遍较高，难以适用于低频微振动传感。采用弯曲式悬臂梁结构，有望突破低频微振动传感的关键问题。

弯曲式压电加速度传感器如图1所示。弯曲式压电加速度传感器多采用悬臂梁结构，悬臂梁自由端装配质量块，压电晶片（或薄膜）粘贴于悬臂梁侧面，根据粘贴晶片的数量可分为单晶悬臂梁和双晶悬臂梁。传感器受力振动时，侧面受拉伸压缩，使压电材料发生形变输出电信号。

根据传感器振动模式可以发现，压电晶片输出电压方向垂直于受力方向，弯曲式压电加速度传感器压电性能主要受压电系数d31影响。弯曲式压电加速度传感器多采用“软”压电陶瓷或柔性压电聚合物以增加其振幅。

图1 弯曲式压电加速度传感器

相比于压缩式和剪切式振动传感器，弯曲式振动传感器频率响应方便调节。闫震等选用PZT-5H为压电晶片，探讨了弯曲式压电悬臂梁器件结构参数与输出电压的关系。研究结果表明，在外力激励环境下，单、双晶压电悬臂梁输出电压均随长度线性增加，随宽度反比例降低。另针对工作温度较低的问题，Wu Jingen等采用0.367BiScO3-0.633PbTiO3高温压电陶瓷（TC=450℃）作为压电双晶片，其谐振频率为40.75Hz，高温压电双晶弯曲式传感器如图2所示。

图2 高温压电双晶弯曲式传感器

此外，有研究者将悬臂梁自由端质量块替换为磁铁设计压电电流传感器：当电流流经导线时，导线周围产生感应磁场并与磁铁相互作用，驱动悬臂梁弯曲产生电信号。但受振幅限制，测量范围通常仅为数安培，难以在电网中得到实际应用。

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。

什么是压缩式压电加速度传感器？

压缩式压电加速度传感器是感知振动信号的传感器件，通过安装在电力设备表面的振动传感器获得振动信号，从中提取特征量后结合数据处理及故障诊断方法，可有效评估运行状态，被广泛应用于电力设备在线监测或临时性检测。

按不同振动方式和传感器结构，压电加速度传感器可分为压缩式（d33型）、剪切式（d15型）、弯曲式（d31型）等。当驱动力较大而结构形变不大时，选择d33型转换；驱动力较小而形变大时，考虑选择d31型转换。

压缩式压电加速度传感器如图1所示。其由压电材料、基座、质量块、弹簧、螺栓等构成，压电材料位于质量块和基座之间，螺栓对传感器整体起机械支撑作用。当传感器受到外部加速度作用时，质量块会在压电材料上施加与输出信号成正比的压力，质量块的质量越大，压力越大，输出信号也越大。根据传感器振动模式可以发现，压电材料输出电压方向与受力方向相同，压缩式压电加速度传感器压电性能主要受压电系数d33影响。

图1 压缩式压电振动传感器

石维等采用固相烧结法制备了0.02BiGaO3-0.32BiScO3-0.66PbTiO3（BGSPT66）高温压电陶瓷，压电系数d33约320pC/N，居里温度可达465℃，并以此设计双振子压缩式压电加速度传感器，如图2所示，在20~200℃温度区间内灵敏度保持在18mV•s2/mm左右。

图2 双振子高温压缩压电加速度传感器

黄新波等基于压电加速度传感器（灵敏度100±10mV/g，频率响应区间1.5Hz~10kHz），设计输电导线微风振动传感系统如图3所示，可以实现对振动频率1~150Hz、振动幅度0.1~1.5mm的导线振动信号的准确测量，进而计算推导得到导线动弯应变值。

图3 导线微风振动传感器

此外，有研究者选用PVDF压电振动传感器监测SZ451型（正伞型）500kV双回路高压输电杆塔及输电杆塔固有频率的变化，进而评估杆塔机械强度。另有研究人员将PZT压电振动传感器用于螺栓松动检测，利用压电导纳谱的峰值频率表征螺栓预紧力状态。

压缩式加速度传感器通常能承受很大的加速度冲击，而由于压电材料和基座直接连接，在强冲击下基座应变和压电材料形变会导致传感器输出信号发生零点漂移和温度漂移。选取弹性模量较高的材料或者选用剪切式压电加速度传感器（基座不与压电材料直接接触），可在一定程度抑制漂移现象。

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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