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。

36氪首发丨「芯森电子」获数千万A轮融资，自研高性能工业电流电压传感器

文丨肖千平

编辑丨袁斯来

36氪获悉，传感器厂商「芯森电子」日前完成数千万A轮融资，由天鹰资本领投，正菱控股跟投。本轮融资将用于产品研发、产能扩建、市场拓展等。

芯森电子成立于2021年，核心产品为电流电压传感器。芯森电子创始团队主攻传感器研发、生产多年，拥有面向军工市场开发电流传感器的经历，并从中发现电流传感器在工业等领域的更广应用空间。

“理论上说，只要涉及到对电的精细控制和管理，都需要用到电流电压传感器，以采集这两个关键的物理量。”芯森电子创始人和波告诉36氪。芯森电子迄今已开发多款面向工业领域应用的产品，并成立珠海公司以服务工业大客户，规划持续提高工业产品占比。

开发军工领域产品的经验，帮助芯森电子打磨产品及技术，适应工业市场的需求。相比之下，军工领域要求传感器产品更加稳定、可靠，同时使用场景条件更为严苛。例如，军工产品要求在-55℃~125℃环境内正常工作，工业场景通常只需要-40℃~85℃。

同时，传感器的工业应用更考验对用户需求的理解，尤其需要把握其中关键指标的设计。比如在变频器或电源领域的应用场景中，传感器在不同位置的应用，对应抗干扰能力、响应速度等不同指标要求。对此，芯森电子也做了不同产品系列布局，结合技术能力及对应用场景的理解，向下游客户推荐适宜应用场景的传感器产品。

在研发过程中，芯森电子尤其注重产品的正向研发，即从原理入手完成产品设计及后续验证，掌握核心技术点，这关系着创新能力及需求响应速度。相反，若仅模仿现有国外产品的部分指标，最终可能导致产品性能的巨大差异。

正向研发的成果是，在产品创新上，芯森电子通过采用全新拓扑架构，感应电流大小和方向，开发高性能300kA大电流传感器，体积为国际同行的3%；以及采用新的电流感应方式及软件核心算法，开发极小体积B型漏电传感器等。

在响应速度上，由于理解传感器核心原理且靠近市场，芯森能够实现在3周内完成全新产品开发并交付样品，相比需要3-4个月乃至更长时间的国际传感器厂商占据优势。

芯森电子核心团队曾任职于军工背景企业，成员出身北大、北理工、北航和西工大等高校。创始人和波为原LEM中国区技术总监，传感器设计、生产工艺和应用专家。

对于未来，芯森电子计划在提高工业应用占比的同时，向新能源、电力等重要领域加大资源投入，目前旗下产品已通过多个头部客户测试，处于产品导入期，已向部分客户批量供货，并将开展海外市场探索。本轮领投方天鹰资本也将凭借其科技制造产业生态，帮助芯森电子连接产业上下游，促进业务合作。

投资方观点

天鹰资本 表示，随着近些年电动化深入及新能源发展，动力类电源和电机需求增长迅速，对于大电流、高电压场景下的电流电压传感器需求持续提升。但在这个领域，目前市场仍被以LEM为代表的国际大厂所垄断。在中美对抗持续升级的当下，供应链安全是无论军品或民品客户都需要优先考虑的因素，寻求国内替代产商是目前客户当前的重要任务。芯森电子核心团队有LEM的核心开发岗位经验、具备国内关于电磁仿真领域领先水平、电子行业精益管理经验，这些能力支撑其具备国内少有的传感器正向开发能力以及标准化制造能力。公司已经完成多项产品开发，并已进入多个重要客户体系，可靠性、稳定性、一致性已得到验证。天鹰看好芯森电子未来在产品研发、产能扩张、客户开拓方面的前景，未来成为中国乃至世界的传感器龙头企业。

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