光电压传感器 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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根据其使用的不同原理，光纤传感器可分为四大类，每一类都有其自身的特点和优缺点，利用这些不同原理的光纤传感器，可用于测量不同的参数。
强度调制型光纤传感器
是利用被测对象的变化引起敏感元件折射率、吸收或反射等参数的变化，引起光强度的变化实现敏感测量的传感器。利用光纤的微弯曲损失的各物质的吸收特性振动膜和液晶的反射光强度的变化，物质因各种粒子的放射线和化学、机械的激励而发光的现象，以及物质的荧光放射线和光路的遮断等，构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调整型光纤传感器。
好处：结构简单，实现方便，成本低廉。
缺点:受光源强度波动和连接器损耗变化影响较大。
偏振调制光纤传感器。
它是一种利用光偏振态变化传递被测物体信息的传感器。电流和磁场传感器是由光在磁场中传播到媒体中的法拉第效应制成的;电场和电压传感器是由光在电场中的压电晶体中传播的泡沫效应制成的;由物质的光弹效应组成的压力、振动或声传感器;以及温度传感器、压力传感器、振动传感器等。
优点:可以避免光源强度变化的影响，所以灵敏度高。
坏处：不易实现。
调频光纤传感器。
是利用单色光反射到被测物体的光的频率变化进行监视的传感器。利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器，利用物质受到强光照射时的喇叭散射构成的测量气体浓度和监视大气污染的气体传感器，利用光发光的温度传感器等。
好处：易于实现，成本低。
缺点:灵敏度低。
相位调制传感器。
其基本原理是利用被测对象对敏感元件的影响，改变敏感元件的折射率或传播常数，导致光的相位变化，改变两束单色光产生的干涉条纹，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而获得被测对象的信息。通常使用光弹效应的声、压力或振动传感器;使用磁致伸缩效应的电流和磁场传感器;使用电致伸缩电场、电压传感器和使用光纤赛格纳克效应的转角速度传感器(光纤陀螺)。这种传感器灵敏度很高。但是由于需要特殊的光纤和高精度检测系统，成本很高。
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