pvdf薄膜传感器 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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PVDF-HFP，全称为聚偏氟乙烯-六氟丙烯，是一种高度工程化聚合物，因其特殊化学，物理性质而于多个行业内得到大量用。本文将基于科学数据，具体事实依据，对PVDF-HFP化学结构，特性以及用行业进行详细探讨，旨于为读者提供全面而深入理解。
从化学角度来看，PVDF-HFP由两种单体组成：聚偏氟乙烯（PVDF），六氟丙烯（HFP）。这两种单体结合赋予了PVDF-HFP良好化学稳定性，高机械强度以及优良电不导电性能。于分子层面，PVDF-HFP结构使得其拥有较高介电常数，这一特性使其成为行业特别是电容器生产中理想材料。
根据相关研究，PVDF-HFP展现出了卓越热稳定性，耐化学腐蚀性。实验数据显示，PVDF-HFP能够于高达150°C温度下稳定工作，且不易被大多数有机溶剂所侵蚀。这一特性使得PVDF-HFP于极端环境下用成为也许，例如于航空航天，石油开采行业。
于实际用方面，PVDF-HFP因为其良好压电性，热电性，被大量用于传感器，换能器生产。统计数据表明，采用PVDF-HFP制作传感器具有更高灵敏度，更宽频响范围，这于医疗设备，智能穿戴设备高科技产品中尤为很大。除此之外，PVDF-HFP还因其优良生物相容性而被用于人工器官研发，如心脏起搏器电极材料。
环保方面，PVDF-HFP研究也显示其于太阳能电池中用潜力。研究表明，利用PVDF-HFP制备薄膜能够很好增强太阳能电池光电转换效率，这对于推动可再生能源技术发展具有很大意义。
PVDF-HFP作为一种性能很好聚合物，不光于科学研究中显示出巨大潜力，而且于工业用中也展现出大量适用性。随着科技连续进步，大伙儿有理由相信，PVDF-HFP将于未来新材料开发，用中扮演更加很大角色。
更多信息请查阅：深入解析PVDF-HFP化学材料及其应用-上氟新材
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