压电效应传感器 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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什么是压电传感器？
压电传感器是利用压电效应来测量对压电材料施加机械力所引起的电动势的装置。它们是基于机电能量转换的原理，主要是通过将获取的数据转换为电荷来测量力，以及压力、加速度、温度、应变等其他量。
压电传感器多用于挠性运动、触摸、振动和冲击测量。它们可用于医疗、航空航天、消费电子和核仪器等多个领域。压电传感器很重要，因为振动和冲击会缩短电子和机电系统的寿命，这意味着脆弱的引线和键合线往往会受到压力。由于冲击和脉冲冲击，可能会出现系统的间歇性故障。
单向压电式力传感器
压电传感器是如何工作的？
压电式传感器的工作原理是压电效应。压电起源于希腊语piezein,字面意思是挤压或按压。正如后者所暗示的那样，我们是在挤压石英晶体以产生电压。因此，压电传感器的工作原理是通过对晶体施加机械能，具体步骤如下。
1、压电晶体被放置在两块金属板之间，这两块金属板通常处于完美的平衡状态(即使它们不是对称排列)，也不会传导任何电流。
2、金属板对材料施加机械应力或力，迫使晶体内的电荷失去平衡。过多的负电荷和正电荷出现在晶体表面的相反面。
3、金属板收集这些电荷，可用于产生电压并通过电路发送电流--转化为压电。
在确定压电效应时，了解压电晶体的行为非常重要。基于压电效应的压电传感器可以从横向、纵向或剪切力中工作，对电场和电磁辐射不敏感。在很宽的温度范围内，其响应也非常线性，因此是一种适用于恶劣环境的理想传感器。
压电式传感器的优点
· 高频率响应：这意味着在非常快速变化的参数可以很容易地感应到。
· 高瞬态响应：因为它们能够检测到微秒级的事件，并提供线性输出。
· 高输出：意味着可以在电子电路中测量。
· 小尺寸且结构坚固：这意味着他们易于操作。
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