传感器压电效应 什么是压电电压传感器？
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。
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压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系非常有意思。
正压电效应
当压电材料受到某个固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，材料又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；材料受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
逆压电效应
当对压电材料施加电场时，材料的某些方向会出现机械形变的现象，并且其形变量与外电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应。用逆压电效应制造的设备可用于超声工程和微运动领域。
压电材料外部施加力F的产出计算
外部施加力下压电材料产生的电荷Q或者电压V就是正压电效应的应用。通用常数比例变化（如压电常数d33和Cd大小的变化）施加全部外部作用下，压电陶瓷会对应产生电荷量Q。
Q=Cd×V=F×d33
此时输出电压V可由压电材料元件的压电常数g33、厚度t、截面积A的关系表达出来，具体见下公式：
V=F×d33/Cd=F×g33×t/A
举例：压电陶瓷截面积A=10×10mm2，厚度t=1mm，g33=26.5×10-3vm/N。当力F=10N时，得到输出电压V=2.65V。
压电材料外部施加电压V的产出计算
外部施加电压压电材料产生形变就是逆压电效应的应用。在应用实例中，压电材料可以在直流或低频交流电下运行。此时，无负荷的电位移U和施加电压V有下列关系：
U=V×d33
V：施加电压
d33：压电常数
举例：压电陶瓷d33=635×10-12 m/V，施加电压150V，位移U=95.25nm
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