压电型传感器 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。
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