压电式传感器的工作原理 压电传感器的工作原理
压电传感器的工作原理
压电式传感器由压电传感元件和测量转换电路组成。压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的发射与接收装置。
压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。
某些电介质在沿一定方向上受到力的作用而变形时，内部会产生极化，同时在其表面有电荷产生，当外力去掉后，表面电荷消失，这种现象称为压电正向效应。
反之，在电介质的极化方向施加交变电场，它会产生机械变形。当去掉外加电场，电介质变形随之消失。这种现象称为压电逆向效应（电致伸缩效应）。
1、压电效应机理分析
具有压电效应的物质很多，如天然的石英晶体、人造的压电陶瓷等，现以石英晶体为例，说明压电效应机理。如图1所示为石英晶体切片，石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。 坐标轴定义如下：
X轴：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。
Y轴：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。
z轴：无压电效应，中心轴，也称光轴。
图1 石英晶体切片图
硅离子有4个正电荷，氧离子有2个负电荷，一个硅离子和两个氧离子交替排列。
2、结构特性
（1）沿Y轴方向作用拉力与沿X轴方向作用压力，晶胞结构变形相同，因而产生的电荷极性相同，同样道理，沿X轴方向作用拉力与沿Y轴方向作用压力而产生的电荷极性相同。
（2）在晶体的线性弹性范围内，当沿X轴方向作用压力FX时，在与X轴垂直的平面上产生的电荷量为 Q＝d11FX
（3）如果沿Y轴方向作用压力Fy时，电荷仍出现在与X轴相垂直的平面上，其电荷量为 Q＝d12 l/δ Fy ＝－d11 l/δ Fyl
为石英晶片的长度； δ为晶片的厚度，d12为沿Y轴方向施力的压电常数，由于石英晶体的轴对称，所以d12＝-d11。负号表示所产生的电荷极性相反。
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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