压电薄膜传感器 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。
1985年，T.Takada等提出电声脉冲法（Pulsed Electro-Acoustic，PEA）用于测量空间电荷，其基本原理是在介质两端电极上加上电脉冲扰动源，介质中的空间电荷和电极界面都受到这一脉冲电场力作用而相应地产生声脉冲。利用压电电声脉冲传感器（通常为宽频带PVDF压电薄膜传感器）接收与测量这些声脉冲，即可获得介质内部空间电荷分布信息。
压电电声脉冲传感器普遍用于电缆空间电荷测量，如图1所示。研究人员在电缆半导电层外直接施加高压脉冲，实现了在高压长电缆中测量空间电荷。但由于目前超高压电缆为保证良好屏蔽特性采用电导率较高的外屏蔽半导电材料，此方法信噪比往往较低。
在此基础上，研究者采用将电缆外屏蔽层分段截断和将电缆外屏蔽层电位悬空的方法，实现了全尺度电缆空间电荷测量。另有研究人员采用压电电声脉冲传感器测量材料中空间电荷量的变化，结合等温松弛电流理论和离散陷阱分布模型分析LDPE/SiO2、LDPE/ZnO、EP/SiO2等纳米复合材料中陷阱分布信息，为定量表征聚合物绝缘材料载流子陷阱参数提供重要依据。
图1 利用该种传感器测量电缆空间电荷
压电电声脉冲传感器的空间分辨率和灵敏度主要取决于电脉冲形状和压电传感器自身性能，降低电脉冲宽度和压电膜厚度可以有效提高传感系统分辨率。L.Galloy等用2ns窄脉冲扰动源，以厚度1.5μm的P(VDF-TrFE)材料作为压电传感器，获得46μm的空间分辨率；T.Maeno等采用5ns窄脉冲和4μm厚PVDF薄膜传感器，获得约3μm的分辨率；K.Kumaoka等用0.6ns超窄脉冲，以厚度1μm的PVDF压电薄膜作为传感器，将分辨率大幅提升至1.6μm。
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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