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。

一个简单的传感器电压低故障，8天都没修好

共轨导读

对于单个传感器的电路故障，一般是比较好维修的，无非就是线路或者传感器的故障。今天带来的故障案例却不同以往，明明是一个简单的传感器电压低的故障，却查了将近8天，前后来了一共5拨人。

那么我们就来看下这个故障到底有什么神奇之处，我相信这个点90%的人都不知道！

故障案例

师傅在维修这辆车之前，已经有4拨人动过这辆车了，但是都没有修好。据司机描述，挂挡行驶时限速1800转，但是停车就可以踩到3500转，一旦挂挡起步就又限速1800。

故障排查

第一步：读取故障码

不管别人是怎么修的，师傅按照正常步骤走。首先插上解码仪，读取故障码，发现故障码为P0097：进气温度传感器信号电压低于下限—历史故障。询问司机，之前也是出现的一样的故障码。

传感器信号电压正常情况下会有一个工作范围，当信号电压超过最大值或者低于最小值且持续一段时间（200ms左右）,就会报出信号电压过高或过低的故障码。

对于进气温度传感器的电压值的范围是：0.2V-4.95V，若是超过该范围就会报出电压过低或过高的故障。

该故障是电压低，一般可能的故障点就是：

1.进气温度传感器的信号线对地短路；

2.进气温度传感器的供电线对地短路；

3.温度传感器损坏，导通；

4.电脑板或数据问题。

第二步：检查传感器线路

这可就让人疑惑了，这么个简单的电路故障，居然四拨人都没有修好？学艺不精吧！首先还是按照正常步骤查一遍，拔开插头测量开路电压，均正常：5V，5V，5.6V，0V。压力信号线正常对地电压应该是5.5V左右，均为正常。

第三步：传感器电阻合理值检查

传感器坏了？刚想去找一下配件，换一下试试，司机却说这个前面的人已经试过了，换了新的传感器也没有用，甚至电脑板都换过测试过一遍。电脑板也换过了？不放心，还是先测一下传感器的温度电阻看看。

但这是社区的，单拿出来的话，不如和他们合作，阻测下来是0.866，由于现在是正午，天气比较热，大气温度也有个36℃。由于测量的时候是着车状态，经过增压中冷后的温度还是要比进气温度高的（40℃+），所以0.866也是属于正常范围。

第四步：跟车测试

师傅这时候注意到一点，读出来的是历史故障，是不是有可能是线路虚接呢？先暂时飞线看看行不行。正准备飞线，发现已有前人做过类似的操作了。不管，自己再试一遍。接完线后，清码，试车看看。

先原地试车，发现没有任何故障码复现，也没有出现限速的问题。

于是决定出去跟车试试，当车辆还没有开出去200m,发现又限速了。一看故障码，故障码又复现了，并且是当前故障。

这时候熄火，重新原地试车还是没问题，只要一走就又出问题。这么神奇的吗？

第五步：喷油器检查

静下心来分析一下，传感器没有问题，电压也没有问题，线也飞过了，甚至之前也换过电脑板了。但是这个就是简单的电路故障啊，能换的都换了，到底问题出在哪呢？

难道不是这个故障导致的限速？

于是师傅，开始去查其他地方了，车速传感器、离合器开关、刹车开关等等，统统都拔掉检查了一遍，还是没有查到故障点。

于是决定把喷嘴拆出来上实验台上来测一下，看看是不是喷油器的问题。结果放到试验台上测也没有问题，装回去又发现问题了——车打不着了。

好了，老故障没解决，新故障又出现了，这个车真的是一波三折啊。

第六步：更换喷油器

修了一天，只能第二天起来接着查了。打不着车？尝试着喷启动液试试，发现喷启动液是可以着车的，但是过了一会就自己熄火了。解码仪读，也没有什么故障。那么可能就是之前拆装喷嘴的问题了，查喷油器加电良好。是不是喷油器卡死了？因为德尔福的喷嘴特别容易卡死。更换四支喷油器之后，车辆再次打着。

小贴士：

在拆装喷油器时，应首先使用气枪吹干净，防止进入灰尘卡死喷油器。

第七步：跟车读取数据流

尽管能着车了，但故障还是依旧。没办法继续跟车，看看有没有什么异常的数据流。调出了一大堆的数据流，挨个看，确实发现有不对劲的地方了。数据流如下：

由于从高速到限速时间过短，其他数据流来不及看清变化。但是可以明显看到进气温度这一项的数据流不对。怎么怠速的时候温度就到65℃了？正常应该也就40℃左右啊。

限速之后25℃还是可以理解的，因为在出现进气温度电路相关故障时，电脑板会给出替代值。一般起动时，替代值为-20℃；起动后为25℃。

第八步：拆缸盖检查气门

正常情况下，进气温度不可能达到这么高的，高温气体反窜了？那问题就大了，能想到的可能就是气门损坏了。没办法，只能拆开缸盖检查气门了。最终发现气门破损了，导致严重漏气，高温气体被压缩至进气管，导致进气温度传感器检测温度过高。

更换气门后，故障码不再出现，故障解决。

知识拓展

看完这么多，相信大家对这个故障还是有疑惑的，接下来小轨就给大家梳理一下。

为什么怠速时温度不合理（65℃），却不报温度过高的故障呢？

车辆在标定的时候，根据厂家不同对进气温度上限值有着不同的标定，一般温度为60~70℃，所以在进气温度达到65℃时，并未达到该德尔福系统的标定值，所以不会报出进气温度过高相关的故障。所以在正常试车的时候，没有任何故障的报出。

车辆行驶时为什么会报出电路故障呢？

在解决这个问题的时候，我们需要先了解一下进气温度传感器的基本工作原理。

首先，进气温度、环境温度等传感器都是采用的负热敏电阻（排温是正热敏）。那么什么是负热敏呢？

负热敏电阻传感器其电阻值随着进气温度的变化而变化。进气温度变低时，热敏电阻的电阻值增大；温度变高时，热敏电阻的电阻值减小（如下图），能够改变发动机控制模块（ECU）提供的5V信号电路上的电压。

我们下面接着了解一下ECU和传感器是如何配合进行工作的呢，对于进气温度传感器采用的是“恒定电压+热敏电阻器”向ECU提供0~5V模拟信号的方式。

在ECU内部有一个定值电阻R与传感器上的热敏电阻串联。串联电阻分压，加在两个电阻之上的电压为固定值5V,此时我们测量ECU内部电阻R为1200Ω左右。

我们通过特性图发现，当温度高到一定程度的时候，电阻就会很小（假设极限情况电阻为0），同时电脑板检测到的电压值就会很小，当电压值小于电路故障设定值时，就会报出电路相关的故障。下面以博世EDC17CV44系统为例说明：

从图中我们可以看出，当电压小于200mV，大于4950mV时，就会报出电压低和电压高的故障。但是当进气温度为200℃时，电脑板检测的电压仅为136mV,肯定就会报出电压低于下限的故障。

维修点评

所以该故障其实是高温气体反串之后，造成进气温度升高到一定值，从而导致报出电路方面的故障。此电路故障，按照我们正常的排查逻辑是根本排查不出来的，因为本身就不是电路故障，所以才会误导了一大批人。

但师傅在排查时，还是有不当的操作的：

1.当电路方面都排查结束后，首先第一步就是应该去读取数据流，而不是盲目的去排查喷油器等方面的故障。若是一开始就去读取数据流，肯定能直接找到故障点。

2.不要盲目拆装喷油器，很多人在维修车辆的时候喜欢去直接动喷油器，校一下油嘴。其实没有明确现象指向喷油器的时候，尽量不要去动喷油器，该案例师傅就犯了这个错误，并且拆装时一定要吹扫干净，防止进灰卡滞。

今日互动

师傅们还见过哪些报的是电路故障，实际上维修却不是电路故障的案例呢？欢迎在下方留言，大家一起学习！

本文卡家号作者：共轨之家

关注卡车之家，网聚卡车人的力量

想入驻卡家号，欢迎私信我们

相关问答

[回答]进气管绝对压力传感器控制ECU通过VCC端子给传感器提供标准5V电压,传感器信号经PIM端子输送给ECU,F2为搭铁端子。在使用中.将点火开关转至“ON”位置...

[最佳回答]首先需要启动发动机,加油门到转速1500转的时候,测试氧传感器的信号电压一般电压在0.1到0.9之间为正常,而且十秒之内需要跳动八次,同时测量另外两条...

[回答]凸轮轴位置传感器怎么测量好坏?凸轮轴位置传感器的测量好坏的方法是:1、凸轮轴传感器大多数是三线的霍尔传感器,一根为12v或5v的电源线,一根信号线,...

电压传感器和电流传感器的区别相比于电压型传感器电流型传感器抗干扰能力更好,传播距离更远。常见的电场耦合的干扰信号,原理上很像一个信号源串联了一个电...

用万用档电阻档测,好的电阻为0,坏的有一定电阻或无穷大。如果是指针万用表用R*1K档。用万用档电阻档测,好的电阻为0,坏的有一定电阻或无穷大。如果是指针万...

1.由于安装不良,读数不正确许多人会试图确保传感器正常运行的整个过程都经过反复实验循环系统的整个过程。他们经常这样做,因为他们通常主观地感觉到他们在不...

电压电流信号传感器故障原因如下:1.由于安装不良,读数不正确许多人会试图确保传感器正常运行的整个过程都经过反复实验循环系统的整个过程。他们经常这样做,...

答:传感器输出电流应该是4-20MA的,供电电压应该是12V或24V的,24V可能性大一些,如果你要用电阻来判断传感器是否好使,一般不可能,因为他本身就是一个集成原...

1、桥路的检测检测传感器的电路是否正确,有没有错误,一般就是惠斯通全桥电路的检测,我们利用万用表的欧姆档进行测量,量输入端之间的阻抗值大小、以及输出端...

热敏电阻是一个电阻器件,因此根据欧姆定律,如果我们通过一个电流,它将产生电压降。由于热敏电阻是一种有源类型的传感器,也就是说,它需要一个激励信号用于其...