CN104267266A - 一种基于压电弯折效应的电场测量传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压电弯折效应的电场测量传感装置，属于电场传感技术领域。本装置中，两个极化方向相反的压电纤维层相互叠压，叠压后的压电纤维层与上电极层相互粘合，形成电容上极板，参考层与下电极层相互粘合，形成电容下极板，电容上极板和电容下极板的两端分别固定在左、右两个夹持紧固件之间。阻抗测量装置的两个输入端分别与上电极层和下电极层相连。本传感装置利用压电纤维层的压电效应，通过端部紧固将伸长形变转化为定向弯折形变，测量弯折压电纤维层与参考层构成的平行电容反映电场大小。本发明具有较高的电容响应及灵敏度，并具有更好的温度稳定性和更大的测量范围，为智能监测系统提供了高性能、低成本、安全可靠的电场传感器。

Description

一种基于压电弯折效应的电场测量传感装置

技术领域

本发明涉及一种基于压电弯折效应的电场测量传感装置，属于电场传感技术领域。

背景技术

智能监测系统在工业及民用领域都有广泛的应用前景，然而受限于传感器技术水平，现阶段智能监测系统仅局限在部分工业场合，无法实现大规模应用。由于传统电压传感器的测量范围及测量精度有限，体积大成本高，无法满足工业及民用对于广域分布传感器节点简易安装、方便维护、安全可靠的需求，这极大限制了智能监测系统的应用进程。

集成化电场传感器的出现为智能监测系统的实现提供了有力的支持。电场传感器是对一次系统无侵入的电压测量装置，已知电场环境中三个固定传感节点位置的电场可采用高斯算法反推出电压值。集成化的电场传感器则将电场偏置、温度补偿等后端处理电路集成到传感器内部，实现体积的缩小，方便高精度传感器的广泛使用。集成化电场传感器主要应用光电效应、压电效应、电磁感应、生物薄膜、热驱动等原理。

对于光电效应的电场传感器一般应用锗酸铋光电材料来实现，该技术较成熟，已开始应用于直流换流站，然而光电传感器的温度稳定性差，对激光源要求高，整体系统体积较大，安装维护困难，因此仅适用于电力系统变电站或换流站中。同时，目前光电传感器的测量范围不能达到电力系统电磁暂态过程测量的需求，这也限制它在电力系统故障诊断、绝缘配合等研究中的应用。生物薄膜、热驱动等原理适用于弱电场的测量，虽然微型化且具有高精度，但应用领域非常有限，无法广泛应用于高电压等级的工业领域中。

相比较而言，压电材料有更广域的电场测量范围，温度稳定好，环境变化对其压电响应影响很小；同时，压电传感器可集成化和微型化，极大缩小传感器体积，广泛适用于各种电场环境。压电传感器的可测量电场涵盖稳态交直流电场、暂态过电压、电磁环境等，可广泛涉足工业场合和民用场合。压电材料具有的线性压电效应使其适于作为传感器的感应材料，然而大多材料存在的滞回特性不利于压电材料应用于多变电场的测量中，因而压电传感器的一个重要突破方向是线性度高且滞回不明显的高压电响应材料。

目前，压电材料广泛应用于工业和科研领域中压力测试(即压力下的电信号响应)及磁、电开关状态的控制(基于逆压电效应的滞回翻转特性)。但是压电材料未能在电场传感研究中深入发展，主要局限在于难以精确量测电场下材料形变或应力，采用精密仪器等直接测量手段无法实用化，因此需要通过一定的转化方式(如结构转化)间接量测材料形变或应力。综合而言，压电传感器可取代传统的分压式电压互感器，用于实时监测电网输电配电线路电压，为电网潮流监测、故障诊断及绝缘配合等研究提供精确的大数据资源，也可用于实时监测民用设备运行状态及用电发电双向流，实现智能家居的全面建设和运营。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于压电弯折效应的电场测量传感装置，利用压电纤维层显著的压电效应，通过端部的紧固将伸长形变转化为定向弯折形变，测量弯折压电纤维层与参考层间电容值，实现对电场的测量。

本发明提出的基于压电弯折效应的电场测量传感装置，其包括夹持紧固件、两个压电纤维层、上电极层、下电极层、参考层和阻抗测量装置；所述的两个压电纤维层相互叠压，叠压时两个压电纤维层的极化方向相反，叠压后的压电纤维层与上电极层相互粘合，形成电容上极板，所述的参考层与下电极层相互粘合，形成电容下极板，电容上极板和电容下极板的两端分别固定在左、右两个夹持紧固件之间，使电容上极板和电容下极板中的上电极层和下电极层平行相对；所述的阻抗测量装置的两个输入端分别与上电极层和下电极层相连。

本发明提出的基于压电弯折效应的电场测量传感装置，具有以下优点：

1、本发明装置利用压电纤维片的显著压电效应，在两端夹持固定下导致压电纤维片的弯折，从几何结构角度放大压电响应。相比已有的基于压电伸缩效应的电场传感器，本发明装置实现了电场测量的高灵敏度及高分辨率。此外，本发明装置中使用的压电纤维层的压电效应具有饱和特性，且本发明装置的机电耦合系数随电场的增大而减小，在出现超量程的过电压故障时，本发明装置中的电容不会击穿，从而确保了阻抗测量装置的安全正常工作。

2、本发明装置中粘接两片反方向极化的压电纤维层，使得电容上极板的弯折方向可以控制，弯折受力均匀，同时具有温度稳定性，因而使本发明装置不易损坏，延长了装置的使用寿命。

3、本发明装置的工作原理是基于电容值的测量，与传统的分压原理电场传感器相比，安全性提升，装置成本极大降低。另外，本发明装置为非侵入式传感方式，因此对一次系统的电压、有功、无功等电气量无任何影响，装置的安装和维护过程可带电进行。

4、本发明装置体积小，集成化程度高，安装环境简易，相比已有的光电传感器，易于小型化，具有成本优势，压电响应值和电场测量范围得到极大提高，更好地实现实时监测电网各点电压的功能，可广泛应用于科研及工程领域，为电网潮流监测、电网故障诊断及绝缘配合等研究提供精确的数据。

附图说明

图1是本发明提出的基于压电弯折效应的电场测量传感装置的结构示意图。

图1中，1是夹持紧固件，2是压电纤维层，3是上电极层，4是下电极层，5是参考层，6是阻抗测量装置。

具体实施方式

本发明提出的基于压电弯折效应的电场测量传感装置，其结构如图1所示，包括夹持紧固件1、两个压电纤维层2、上电极层3、下电极层4、参考层5和阻抗测量装置6。两个压电纤维层2相互叠压，叠压时两个压电纤维层2的极化方向相反，叠压后的压电纤维层与上电极层3相互粘合，形成电容上极板，所述的参考层5与下电极层4相互粘合，形成电容下极板，电容上极板和电容下极板的两端分别固定在左、右两个夹持紧固件1之间，使电容上极板和电容下极板中的上电极层3和下电极层4平行相对。阻抗测量装置6的两个输入端分别与上电极层3和下电极层4相连。

本发明的基于压电弯折效应的电场测量传感装置，其中的上、下电极层分别粘合在相应的压电纤维层和参考层的表面。压电纤维层是由两片尺寸相同极化方向相反的两个压电纤维层粘合而成，但粘合时，采用塑封等手段，使两个压电纤维层之间相互绝缘。压电纤维片可选用弹性性能好的锆钛酸铅纤维或聚偏氟乙烯-三氟乙烯等材料，两片压电纤维片应尺寸一致、极化方向相反，粘接面理想平滑。参考层采用具有电场稳定性和温度稳定性的材料如半导体Si、导体硅钢片等。夹持紧固件用于使压电纤维层和参考层的两端固定在任意一个绝缘物体上。阻抗测量装置可以采用由Novocontrol Technologies公司生产的、型号为HP4294等介电谱仪。相互平行的电容上极板和电容下极板之间，以空气或者其他绝缘油气材料作为介质。

本发明提出的基于压电弯折效应的电场测量传感装置，其工作原理如下：

如图1所示，设压电纤维层2的厚度为t，上、下电极层的有效长度和宽度分别为l和w，初始时刻，上、下电极层的间距为D，在测量装置的(x,y,z)坐标体系中，使原点O位于压电纤维层的一端。

设待测电场沿z轴方向，由于待测电场与阻抗测量装置施加在电容上极板和电容下极板之间的测量电场的方向相互垂直，因此可以实现待测电场与测量电场的解耦。待测电场使电容上极板产生弯折，阻抗测量装置的输入端与上、下电极层相连，通过压电纤维层的受力及力矩平衡分析，得到电容上极板的弯折曲线f(z)：

f(z)＝3(lz-z²)Δ/8t

其中，Δ＝kEd₃₃为拉伸形变量，k为压电纤维层所用材料的机电耦合系数，E为待测电场强度，d₃₃为压电纤维层所用材料的逆压电系数，k和d₃₃可以从材料参数手册中查到；

利用电容上极板和电容下极板组成的平行电容的积分公式，可以得到待测电场的电容表达式，当压电纤维层向参考层弯折(E>0)时，电容表达式为：

$C=\frac{{16\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r\mathrm{wt}}{\sqrt{48\mathrm{tD\Δ}-9{(l\·\mathrm{\Δ})}^2}}\arctan \frac{3l\·\mathrm{\Δ}}{\sqrt{48\mathrm{tD\Δ}-9{(l\·\mathrm{\Δ})}^2}},(E>0)$

当压电纤维层背向参考层弯折(E<0)时，电容表达式分别为：

$C=\frac{{8\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r\mathrm{wt}}{\sqrt{48\mathrm{tD\&Delta;}+9{(l\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;})}^2}}\ln \left|\frac{3l\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}+\sqrt{48\mathrm{tD\&Delta;}+9{(l\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;})}^2}}{3l\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}-\sqrt{48\mathrm{tD\&Delta;}+9{(l\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;})}^2}}\right|,(E<0)$

其中，ε₀＝8.85×10^-12F/m，表示真空介电常数，ε_r为平行电容之间介质的相对介电常数，与介质的材料有关，可以查阅相关手册。根据上述电容表达式得到对传感装置实际测量结果进行校准。

进一步利用上述电容解析表达式，计算dC/dE，得到不同待测电场的测量灵敏度，当电场强度E大于0时，测量灵敏度高，且测量灵敏度随E的增加而增加。当本发明的传感装置仅用于单极性电场测量时，可以使靠近电容下极板的压电纤维层的极化方向与待测电场同向。当本发明的传感装置应用于特定的测量范围和精度需求时，可以利用灵敏度来决定本发明传感装置中压电纤维层的初始弯折程度。

利用本发明提出的基于压电弯折效应的电场测量传感装置进行实际试验，在–22kV/cm到+22kV/cm的测量范围内，实验结果与上述理论模型的电容—电场解析表达式非常吻合，这种压电弯折效应将基于普通压电伸缩效应的同等压电能力的电容值提高到3.74倍(E＝22kV/cm,f_s＝10MHz)，分辨率在E＝0处提高了2755倍(耦合系数k＝0.2)，证实了本发明传感装置在电场测量中的优越性。

Claims (1)

1.一种基于压电弯折效应的电场测量传感装置，其特征在于该电场测量传感装置包括夹持紧固件、两个压电纤维层、上电极层、下电极层、参考层和阻抗测量装置；所述的两个压电纤维层相互叠压，叠压时两个压电纤维层的极化方向相反，叠压后的压电纤维层与上电极层相互粘合，形成电容上极板，所述的参考层与下电极层相互粘合，形成电容下极板，电容上极板和电容下极板的两端分别固定在左、右两个夹持紧固件之间，使电容上极板和电容下极板中的上电极层和下电极层平行相对；所述的阻抗测量装置的两个输入端分别与上电极层和下电极层相连。