压电式 力传感器 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。
除压电电声脉冲传感器外，压电压力波（Pressure Wave Propagation, PWP）传感器同样被广泛用于固体介质空间电荷测量。
不同压电压力波传感器产生压力波的方式略有不同，如利用薄压电陶瓷片产生压力脉冲即压电感应压力波传播法（PIPWP）、利用PVDF压电薄膜产生压力脉冲（压电压力波传播法（Piezo-PWP））等，但测量原理基本相同：产生压力波在介质中传播引起介质产生形变，导致介质内部局部电场的微小变化，从而在外电路上感应出对应的电压或者电流信号，由此反映绝缘介质内部的空间电荷分布情况。常见压电压力波传感器测试装置如图1所示。
压力波阶跃上升沿宽度或脉冲宽度应尽可能窄（远小于介质厚度），以提高压电压力波传感器分辨率和灵敏度。郑飞虎等研究发现，压电薄膜厚度、电脉冲下降沿宽度、背衬层材料及声传播介质等因素都会对压力波脉冲波形和脉冲宽度产生影响，实际测试时选用25μm压电薄膜产生脉宽约50ns的单极性压力波声脉冲。
图1 压电压力波传感器测试装置
目前压电压力波传感器的理论模型与测量技术已经基本明晰，在工业界已开始推广应用。如S.Holé等将压电压力波传感器用于欧洲BESTPATHS项目中高压超导直流电缆绝缘测试，在极低温度下对液氮/纸复合绝缘空间电荷分布进行了测量，其测试装置如图2所示。
图2 压电压力波传感器测试装置
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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