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

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