壓電材料與器件在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用

于海平 黃躍偉 劉袁飛

摘 要：隨著能源革命的不斷深入和能源互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)建設(shè)，對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化、智能化、信息化的需求日益迫切，亟需先進(jìn)的電力設(shè)備傳感量測(cè)方法為電網(wǎng)多場(chǎng)景應(yīng)用提供信息支撐，以保證智能電網(wǎng)在復(fù)雜工況下的安全可靠運(yùn)行。該文總結(jié)了壓電材料的發(fā)展概況，歸納了壓縮式壓電傳感器、彎曲式壓電傳感器、壓電超聲傳感器、壓電電聲脈沖（PEA）傳感器在電氣工程中的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：壓電材料;壓電傳感技術(shù);發(fā)展趨勢(shì)

前言：

作為與設(shè)備高度融合的傳感器件，壓電傳感器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，具備無(wú)源、小型化、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是感知電力設(shè)備振動(dòng)、放電等狀態(tài)的關(guān)鍵器件，在壓電振動(dòng)傳感器、超聲傳感器、聲表面波傳感器等方面得到了廣泛應(yīng)用。此外，還有基于物理量耦合與轉(zhuǎn)換的諸如壓電溫度傳感器、電壓傳感器等新型壓電傳感器件，將溫度、電壓、電流等物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)信號(hào)或聲信號(hào)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換后的物理量進(jìn)行測(cè)量反推出原信號(hào)值。

1.壓電材料的發(fā)展

隨著壓電材料應(yīng)用需求和應(yīng)用場(chǎng)景的增加，對(duì)高性能壓電材料的需求日益迫切，現(xiàn)有基于試錯(cuò)方法開(kāi)發(fā)的材料體系已經(jīng)發(fā)展至瓶頸期，逐漸難以滿(mǎn)足精密傳感要求。近年來(lái)有研究表明，Sm 摻雜 PMN-PT 等新型復(fù)雜多元組分摻雜可以使壓電材料壓電性能大幅提升，壓電系數(shù)可達(dá)現(xiàn)存壓電體系的兩倍以上。新型超高性能壓電材料因具有多元稀土元素?fù)诫s和材料多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，使得成分遍歷制備方法以及單一尺度的材料結(jié)構(gòu)表征方法等傳統(tǒng)手段工作量巨大，無(wú)法滿(mǎn)足新型超高性能壓電材料開(kāi)發(fā)的要求，基于人工智能新方法開(kāi)發(fā)新型超高性能壓電材料及其器件已成為未來(lái)傳感領(lǐng)域前進(jìn)的必然趨勢(shì)[1]。相比于傳統(tǒng)制備手段，人工智能尋優(yōu)方法可利用較少的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在多元素配方的高維空間中建立性能成分關(guān)系模型指導(dǎo)配方設(shè)計(jì)，具有很高的材料開(kāi)發(fā)效率，是加速獲取目標(biāo)性能的有效手段。開(kāi)展新型壓電材料智能化多元尋優(yōu)，是進(jìn)一步提升壓電材料性能、開(kāi)發(fā)高性能壓電器件的關(guān)鍵。

2.壓電傳感器件在電氣工程中的應(yīng)用

2.1壓縮式壓電傳感器及其應(yīng)用

其由壓電材料、基座、質(zhì)量塊、彈簧、螺栓等構(gòu)成，壓電材料位于質(zhì)量塊和基座之間，螺栓對(duì)傳感器整體起機(jī)械支撐作用。當(dāng)傳感器受到外部加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)在壓電材料上施加與輸出信號(hào)成正比的壓力，質(zhì)量塊的質(zhì)量越大，壓力越大，輸出信號(hào)也越大。根據(jù)傳感器振動(dòng)模式可以發(fā)現(xiàn)，壓電材料輸出電壓方向與受力方向相同，壓縮式壓電加速度傳感器壓電性能主要受壓電系數(shù)影響。壓縮式加速度傳感器通常能承受很大的加速度沖擊，而由于壓電材料和基座直接連接，在強(qiáng)沖擊下基座應(yīng)變和壓電材料形變會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)發(fā)生零點(diǎn)漂移和溫度漂移。選取彈性模量較高的材料或者選用剪切式壓電加速度傳感器（基座不與壓電材料直接接觸），可在一定程度抑制漂移現(xiàn)象。

2.2彎曲式壓電傳感器及其應(yīng)用

壓縮式傳感器較易獲得外界振動(dòng)激勵(lì)，壓電材料系數(shù)較高、壓電性能較好，是目前使用最多的振動(dòng)傳感器。然而這類(lèi)傳感器輸出響應(yīng)調(diào)控主要基于選取不同規(guī)格質(zhì)量塊，諧振頻率普遍較高，難以適用于低頻微振動(dòng)傳感。采用彎曲式懸臂梁結(jié)構(gòu)，有望突破低頻微振動(dòng)傳感的關(guān)鍵問(wèn)題。彎曲式壓電傳感器多采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁自由端裝配質(zhì)量塊，壓電晶片（或薄膜）粘貼于懸臂梁側(cè)面，根據(jù)粘貼晶片的數(shù)量可分為單晶懸臂梁和雙晶懸臂梁。傳感器受力振動(dòng)時(shí)，側(cè)面受拉伸壓縮，使壓電材料發(fā)生形變輸出電信號(hào)。根據(jù)傳感器振動(dòng)模式可以發(fā)現(xiàn)，壓電晶片輸出電壓方向垂直于受力方向，彎曲式壓電加速度傳感器壓電性能主要受壓電系數(shù)影響。彎曲式壓電加速度傳感器多采用“軟”壓電陶瓷或柔性壓電聚合物以增加其振幅。

2.3壓電超聲傳感器及其應(yīng)用

根據(jù)傳感器耦合方式，超聲傳感器可分為接觸式和非接觸式。接觸式超聲傳感器主要用于變壓器、組合電器等大型電力設(shè)備監(jiān)測(cè)，非接觸式超聲傳感器則主要用于電力電纜、開(kāi)關(guān)柜等電力設(shè)備檢測(cè)。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q/GDW11061—2017 局部放電超聲波檢測(cè)儀技術(shù)規(guī)范》要求，對(duì)于接觸式超聲傳感器（不含前置增益），其峰值靈敏度一般不小于 30dB（V/（m/s）），均值靈敏度一般不小于 40dB（V/（m/s）），可以測(cè)到不大于 40dB 的傳感器輸出信號(hào);對(duì)于非接觸式超聲傳感器，在距離聲源 1m 時(shí)，可以測(cè)到聲壓級(jí)不大于 35dB 的超聲波信號(hào)[2]。由于受制造工藝限制、安裝不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，電力設(shè)備難免會(huì)產(chǎn)生表面附著物、內(nèi)部氣泡、表面裂紋等缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致局部放電的發(fā)生。在電網(wǎng)運(yùn)維周期中，主要通過(guò)超聲傳感器進(jìn)行電力設(shè)備局部放電檢測(cè)。當(dāng)電力設(shè)備內(nèi)部絕緣發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)沿絕緣介質(zhì)和金屬導(dǎo)體傳導(dǎo)至外殼，并通過(guò)介質(zhì)向外界傳播。通過(guò)在電力設(shè)備外殼或設(shè)備附近安裝的壓電超聲傳感器，可以耦合收集到局部放電產(chǎn)生的超聲信號(hào)，進(jìn)而判斷電力設(shè)備放電情況。

2.4壓電電聲脈沖（PEA）傳感器及其應(yīng)用

其基本原理是在介質(zhì)兩端電極上加上電脈沖擾動(dòng)源，介質(zhì)中的空間電荷和電極界面都受到這一脈沖電場(chǎng)力作用而相應(yīng)地產(chǎn)生聲脈沖。利用壓電電聲脈沖傳感器（通常為寬頻帶 PVDF 壓電薄膜傳感器）接收與測(cè)量這些聲脈沖，即可獲得介質(zhì)內(nèi)部空間電荷分布信息。壓電電聲脈沖傳感器普遍用于電纜空間電荷測(cè)量。研究人員在電纜半導(dǎo)電層外直接施加高壓脈沖，實(shí)現(xiàn)了在高壓長(zhǎng)電纜中測(cè)量空間電荷。但由于目前超高壓電纜為保證良好屏蔽特性采用電導(dǎo)率較高的外屏蔽半導(dǎo)電材料，此方法信噪比往往較低。在此基礎(chǔ)上，研究者采用將電纜外屏蔽層分段截?cái)嗪蛯㈦娎|外屏蔽層電位懸空的方法，實(shí)現(xiàn)了全尺度電纜空間電荷測(cè)量。另有研究人員采用壓電電聲脈沖傳感器測(cè)量材料中空間電荷量的變化，結(jié)合等溫松弛電流理論和離散陷阱分布模型分析 LDPE/SiO2、 LDPE/ZnO、EP/SiO2等納米復(fù)合材料中陷阱分布信息，為定量表征聚合物絕緣材料載流子陷阱參數(shù)提供重要依據(jù)。

3.發(fā)展趨勢(shì)

3.1環(huán)境適應(yīng)性

壓電傳感設(shè)備多運(yùn)行在戶(hù)外環(huán)境，關(guān)鍵壓電材料受溫度、濕度等環(huán)境因素影響較大，帶來(lái)較大的量測(cè)誤差，加之結(jié)構(gòu)熱適配、電路匹配等因素綜合影響，傳感器不可避免地存在溫度、頻率漂移等問(wèn)題。

3.2環(huán)境友好

能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中大量應(yīng)用傳感器件，對(duì)傳感材料的環(huán)境友好性提出了更高要求。PZT 等含鉛材料仍是目前壓電器件特別是商用傳感器的主流材料，鉛元素的過(guò)度使用已對(duì)環(huán)境造成了潛在威脅。盡管無(wú)鉛材料壓電系數(shù)已經(jīng)可以同含鉛材料媲美，但仍存在穩(wěn)定性差、退極化等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用[3]。

3.3穩(wěn)定性

壓電傳感關(guān)鍵參數(shù)依賴(lài)壓電材料極化狀態(tài)，而壓電材料在長(zhǎng)期機(jī)電耦合作用下會(huì)發(fā)生老化、疲勞等導(dǎo)致性能降低，嚴(yán)重影響壓電傳感器件的長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。

3.4精確度

當(dāng)前傳感器件在頻帶寬度、靈敏度、結(jié)構(gòu)體積等因素之間存在矛盾，分辨率和靈敏度仍存在不足，在復(fù)雜工況下誤判率較高。

結(jié)束語(yǔ)：

特定應(yīng)用場(chǎng)景需要壓電材料實(shí)現(xiàn)壓電系數(shù)、居里溫度、機(jī)電耦合系數(shù)等壓電性能協(xié)同提升，而新材料開(kāi)發(fā)面臨制備周期長(zhǎng)、試錯(cuò)成本高等難題?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)人工智能方法，結(jié)合高通量批量化制備和表征手段，實(shí)現(xiàn)高性能環(huán)境友好型壓電材料組分快速尋優(yōu)，是未來(lái)壓電材料發(fā)展的趨勢(shì)。

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