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。

如何正确使用电量传感器

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北极星输配电网讯:随着电力电子技术的发展，变流、变频及逆变技术广泛应用于新能源行业，诸如：高压直流输电中的换流阀，太阳能发电的核心设备逆变器，风能发电的主力变流器，高铁牵引驱动变流器以及智能制造必须的机器人伺服驱动器，这些制造和变流设备中都离不开电流、电压测量的核心器件传感器。传感器性能表现直接影响到整个设备乃至系统的最佳运行。

虽然传感器属于电子器件，但与一般的器件有所不同，不同的安装方式，不同的使用方法都会影响传感器性能。笔者经过长期的实践经验，对传感器的实际应用中的问题与注意事项做了总结。

首先，

为了便于查阅，以下从几个方面来探讨传感器的正确使用。

1. 使用环境

传感器的使用环境应无导电尘埃和无腐蚀金属和破坏绝缘的气体存在。否则会由于导电粉尘与物体发生一二次电路，或二次侧电源与信号间的短路，烧坏传感器。

1.1 环境温度

传感器的规格书中都会规定传感器的正常工作的环境温度范围,如-40~85度，视产品型号不同有一定区别。建议不要超过规格书中规定的温度范围，超过传感器的正常工作温度范围，内部部分器件会由于温度特性而降低性能，出现精度降低，输出信号不准确，或无法工作等情况。

传感器尽量安装在通风散热好的地方，以免温度过高影响传感器的测量精度及寿命。

1.2 海拔

通常传感器在设计时，都会考虑海拔，一般情况为2000米。但并不是只能适用于海拔2000米以下，如果实际使用中海拔超过2000米，主要会影响传感器的散热与绝缘性能。会降低绝缘特性，虽然绝缘也可以通过外部方式来改善，但是实现起来有难度也会增加成本，在实际选型和使用是可以参照IEC 60664-1标准 的规定来降额使用，具体的参见IEC 60664-1 第5.1.4 一节，表A.2的降额系数。散热问题可以通过强制风冷等方式，解决起来相对容易。

1.3 安装位置

由于传感器是非接触型测量，大多检测的是带电导体周围的磁场，那么传感器附近，不宜有强磁场，以及容易产生磁场的器件。包括变压器、电抗器及流过大电流的导体等等。特别是在三相测试中，相邻的传感器不宜安装太近。在空间允许的情况下，间距尽可能的大。

有时候会受到柜体及其内部布局的限制，很难留出足够的空间，这种情况下建议传感器错位安装，特别是HALL原理的传感器，应尽可能让HALL器件的位置原理磁场源。

2. 传感器安装与固定

传感器分两种固定方式：PCB和盘式安装

2.1 PCB安装方式

通常PCB安装的传感器原边测量信号比较小。

传感器的输出端采用pin针或SMD的方式，在焊接上可以按照一般器件的焊接工艺执行，由于有的传感器内部不灌胶，所以尽量避免清洗。

2.2 盘式安装方式

通常盘式安装的传感器原边测量信号比较大，体积也比较大。

在传感器的规格书中，均提供安装孔的间距与孔径，同时会明确各个安装孔所用的螺钉大小及拧紧的扭矩。推荐的扭矩都是经过设计工程师的验证与评估，安装时，要严格按照规格书中推荐的扭矩来操作，否则容易造成外壳的破裂。尤其是灌胶传感器，一旦外壳破裂就无法修复，带来经济损失的同时也会给施工带来麻烦。

3. 安装方向

3.1 电流传感器

在每只电流传感器的外壳上都会有一个箭头，这个箭头的方向代表被测电流的流向，在传感器的原边接入被测电流时，要保证被测电流和流向与传感器上所示的箭头方向一致。否则会导致传感器的输出信号反向。

3.2 电压传感器

在每只电压传感器的外壳上都会有原边电压正极与负极，分别代表用于接入被测电压信号的正、负极，

有的传感器还会带有接地输出端“E”或“”的，通常这端子连接到屏蔽层，要与保护地连接，以起到屏蔽和抗干扰作用。

值得提醒的是，虽然传感器可以交直流通用，但原边接入的方向同样会带来副边输出的变化，原副边波形会出现反向。

4. 原边导体

对于测量电流较大的电流传器来说，原边一般为穿孔结构，要根据穿孔的形状、大小来选择相应的电缆或铜排，保证原过导体能顺利通过穿孔，不要因导体截面过大而损坏传感器穿孔。

穿心导体应尽量充满穿孔，以保证测量精度。电缆和铜排穿过传感器时，两侧要有固定支撑，尽量居中，避免铜排或电缆歪斜，以免影响测量效果。

在实际运行中需要注意导体的温度，最好不要超过标称的允许温度，以免过热影响传感器的正常工作，或损坏传感器。

5. 传感器的接线

一般传感器的规格书中都会有接线图，明示出对应输出点的序号，一般包括电源正极Vc+，电源负极Vc-, 输出信号端M， 以及OV，一定要按照序号的定义来接线，不能错接，漏接，否则会损坏传感器。

5.1 pin针式

当传感器的二次侧采用PCB焊接的pin针式时，要按照规格书最后一页所示的pin针序号来布板。

5.2 接插件式

当传感器的二次侧采用接插件的形式时，规格书中会提供接插件的型号与规格，以及各个接针所对应的作用。建议用专用工具来压接好端子和导线，避免短路或接触不良。

6. 传感器的工作电源

一般来讲，传感器都需要外部提供工作电源，这个工作电源为直流电压源，分为几种规格，+5V，+/-12V,+/-15V或+/-24V等。

通常在传感器的规格书都会给出电源电压等级Vc，如果Vc值为+/-，则传感器需要有双电源供电。

另外，在选择电源时，要选择电压稳定，纹波小的电源。同时要注意电源的功率。

通常在传感器的规格书都会提供传感器的损耗值Ic。这个Ic值的表示传感器的耗电大小，那么在选择供电电源时，至少要保证电源输出的电流大于Ic，才能保证传感器正常工作。

7. 传感器通电

传感器是用来测量电流、电压信号的有源器件，需要外接直流电源供电，传感器才可以工作。

1）. 传感器二次侧的接线正确后，先接通传感器工作的直流电源。

如果是双电源供电的传感器，电源为直流+/-12V,+/-15V或+/-24V。

如果是单电源供电的传感器，电源为直流+5V。

传感器工作的直流电源要稳定，上下波动在+/-5%范围之内。太低或太高都会影响传感器的正常工作, 电压太高，还可能损坏传感器。

接通传感器的直流工作电源后，传感器处于备工作状态，此时二次输出端会有很小的信号输出，只要在规格书允许的范围之内，都属于正常。

2）. 传感器供电源接通后，再通入原边被测信号。

当被测信号输入时，传感器的输出端会有相应的信号输出，这个输出信号会随着原边被测信号的改变耐改变。

如果原副边上电顺序颠倒，可能会损坏传感器，这一点希望在实际中一定注意！

8. 电位器

在新的技术应用下，传感器都采用激光调阻，软件调阻的方式来标定和校准，但市面上仍存在一些传感器采用电位器的方式，通常这些外露的电位器都是厂家在出厂时对传感器标定用的，用于调整传感器的零点和精度，调整好后用红胶固定防止电位器被误碰改变阻值。那么外露的电位器，请勿随意调整，否则会影响传感器的测量精度。

9. 负载电阻的选择

负载电阻是指接在传感器输出端的电阻，通常输出电流信号是会限制负载电阻的最大值，输出电压信号时会限制负载电阻的最小值。

9.1 电流输出型传感器

当传感器的输出信号为电流信号时，通常在采样时都需要转换为电压信号，这时需要在传感器的输出端与OV之间配接测量电阻。测量电阻的选取受到传感器供电电源电压的大小和被测信号的大小有限制，不能随意选取。

在相同供电电源电压下，测量电阻值的大小会影响传感器所能测量原边信号的范围，电阻值越小，被测信号越大，测量范围越大，电阻值越大，被测信号越小，最大测量范围越小。但是，需要注意的是，有些传感器的测量电阻值不能无限减小，否则会损坏传感器。

通常在规格书中，厂家都会标明测量电阻的范围数，包括最小值和最大值。这个电阻的取值只要在规格书中规定的范围内，传感器都可以正常工作，满足规格书中承诺的参数指标。

9.2电压输出型传感器

当传感器的输出信号为电压信号时，为了保证负载电阻的接入不影响传感器输出电压值的衰减，对负载电阻值有最小值的限制。

在规格书中厂家会标明负载电阻的大小，通常为千欧级。所以在传感器的输出端接入后级电路时，要保证等效电阻值大于允许的负载电阻。 否则，传感器的输出值会减小。

以上是对传感器使用中存在问题的探讨，使用与大多数的传感器，如遇到特殊情况，需要针对不同厂家不同型号具体对待。在实际应用中，正确对待和使用传感器，在系统工程师、调试工程师的工作中可以起到事半功倍的效果。

（作者 成秋花 校对 李海莹）

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