脉冲传感器原理 什么是压电电声脉冲（PEA）传感器？看完就懂了

什么是压电电声脉冲（PEA）传感器？看完就懂了

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。

1985年，T.Takada等提出电声脉冲法（Pulsed Electro-Acoustic，PEA）用于测量空间电荷，其基本原理是在介质两端电极上加上电脉冲扰动源，介质中的空间电荷和电极界面都受到这一脉冲电场力作用而相应地产生声脉冲。利用压电电声脉冲传感器（通常为宽频带PVDF压电薄膜传感器）接收与测量这些声脉冲，即可获得介质内部空间电荷分布信息。

压电电声脉冲传感器普遍用于电缆空间电荷测量，如图1所示。研究人员在电缆半导电层外直接施加高压脉冲，实现了在高压长电缆中测量空间电荷。但由于目前超高压电缆为保证良好屏蔽特性采用电导率较高的外屏蔽半导电材料，此方法信噪比往往较低。

在此基础上，研究者采用将电缆外屏蔽层分段截断和将电缆外屏蔽层电位悬空的方法，实现了全尺度电缆空间电荷测量。另有研究人员采用压电电声脉冲传感器测量材料中空间电荷量的变化，结合等温松弛电流理论和离散陷阱分布模型分析LDPE/SiO2、LDPE/ZnO、EP/SiO2等纳米复合材料中陷阱分布信息，为定量表征聚合物绝缘材料载流子陷阱参数提供重要依据。

图1 利用该种传感器测量电缆空间电荷

压电电声脉冲传感器的空间分辨率和灵敏度主要取决于电脉冲形状和压电传感器自身性能，降低电脉冲宽度和压电膜厚度可以有效提高传感系统分辨率。L.Galloy等用2ns窄脉冲扰动源，以厚度1.5μm的P(VDF-TrFE)材料作为压电传感器，获得46μm的空间分辨率；T.Maeno等采用5ns窄脉冲和4μm厚PVDF薄膜传感器，获得约3μm的分辨率；K.Kumaoka等用0.6ns超窄脉冲，以厚度1μm的PVDF压电薄膜作为传感器，将分辨率大幅提升至1.6μm。

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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1. 节气门位置传感器

如下图所示，节气门位置传感器安装在发动机节气门体上，并与节气门阀门联动，是由驾驶员通过加速踏板来控制的。其作用是测量发动机节气门的开度，使控制单元了解发动机负荷，以此作为自动变速器换挡的一个重要依据。

节气门位置传感器及电路

2. 输入轴转速传感器

输入轴转速传感器与车速传感器类似，也分电磁感应式传感器和霍尔式传感器。如下图所示，它安装在行星齿轮机构输入轴（液力变矩器涡轮输出轴）附近或与输出轴连接的离合器鼓附近的壳体上，用以检测自动变速器输入轴转速信号，该信号使电子控制单元对换挡过程的控制更为精确，同时该信号与发动机转速信号比较可计算出液力变矩器的传动比，优化油路压力控制过程和锁止离合器的控制过程，改善换挡质量，提高汽车的行驶性能。其结构、工作原理与车速传感器相同。

输入轴转速传感器

3. 输出轴转速传感器

输出轴转速传感器用来检测自动变速器输出轴的转速，并换算成汽车行驶的车速，它是自动变速器换挡控制的一个重要依据。

■ 电磁感应式转速传感器

如下图所示，输出轴转速传感器安装在变速器输出轴附近，为了获取感应信号，必须靠近装在输出轴上的驻车锁止齿轮或感应转子。它主要由永久磁铁和电磁感应线圈两部分组成。

电磁感应式输出轴转速传感器

电磁感应式转速传感器的工作原理如下图所示，当输出轴转动时，驻车锁止齿轮或感应转子的凸齿不断地靠近和离开转速传感器，使感应线圈内的磁通量发生变化，从而产生交流感应电压。车速越高，输出转速就越高，感应电压的脉冲频率也就越高。控制单元则按照单位时间内感应出的电压脉冲数，计算输出轴转速，然后换算成车速。

电磁感应式转速传感器工作原理

■ 霍尔式转速传感器

当霍尔元件中有电流经过并有磁场垂直施加于此元件时，将产生一分别垂直于磁场和电流且与电流和磁场强度成正比的电压，这些电压信号就是输出轴转速传感器脉冲信号。

如下图所示，霍尔式转速传感器上的霍尔元件读取输出轴上驻车锁止齿轮齿隙的变化磁场并将它转换为脉冲波。然后，这些脉冲波将被送到TCM。当车轮开始转动时，霍尔式传感器开始产生一连串的信号，脉冲的个数将随着车速增加而增加。

霍尔式输出轴转速传感器

4. ATF 油温传感器

如下图所示，油温传感器安装在液压控制阀体上。其主要作用是将自动变速箱内的ATF 温度转换成电压信号传输至TCM，以作为TCM进行换挡控制、油压控制、锁止离合器控制的依据。在汽车起步或低速大负荷行驶时，液力变矩器转速比小，效率低，发热严重，造成油温升高，在超过某一温度界限时，变速器要在较高的发动机转速状况下才开始换挡。

ATF 油传感器及其电路

自动变速器油温度传感器为一具有负温度系数特性的热敏电阻，温度越高时，电阻越小。TCM就是根据其电阻的变化算出自动变速器油液温度的。当ATF温度为10℃时，油温传感器的电阻为5.8~7.0kΩ。当ATF温度为110℃时，油温传感器的电阻为0.23~0.26kΩ。

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