压电材料与器件在电气工程领域的应用

于海平 黄跃伟 刘袁飞

摘 要：随着能源革命的不断深入和能源互联网的持续建设，对电网自动化、智能化、信息化的需求日益迫切，亟需先进的电力设备传感量测方法为电网多场景应用提供信息支撑，以保证智能电网在复杂工况下的安全可靠运行。该文总结了压电材料的发展概况，归纳了压缩式压电传感器、弯曲式压电传感器、压电超声传感器、压电电声脉冲（PEA）传感器在电气工程中的实际应用。

关键词：压电材料;压电传感技术;发展趋势

前言：

作为与设备高度融合的传感器件，压电传感器实现了机械-电信号转换，具备无源、小型化、抗干扰能力强等优势，是感知电力设备振动、放电等状态的关键器件，在压电振动传感器、超声传感器、声表面波传感器等方面得到了广泛应用。此外，还有基于物理量耦合与转换的诸如压电温度传感器、电压传感器等新型压电传感器件，将温度、电压、电流等物理信号转换为振动信号或声信号，通过对转换后的物理量进行测量反推出原信号值。

1.压电材料的发展

随着压电材料应用需求和应用场景的增加，对高性能压电材料的需求日益迫切，现有基于试错方法开发的材料体系已经发展至瓶颈期，逐渐难以满足精密传感要求。近年来有研究表明，Sm 掺杂 PMN-PT 等新型复杂多元组分掺杂可以使压电材料压电性能大幅提升，压电系数可达现存压电体系的两倍以上。新型超高性能压电材料因具有多元稀土元素掺杂和材料多尺度复杂结构等特点，使得成分遍历制备方法以及单一尺度的材料结构表征方法等传统手段工作量巨大，无法满足新型超高性能压电材料开发的要求，基于人工智能新方法开发新型超高性能压电材料及其器件已成为未来传感领域前进的必然趋势[1]。相比于传统制备手段，人工智能寻优方法可利用较少的实验数据，在多元素配方的高维空间中建立性能成分关系模型指导配方设计，具有很高的材料开发效率，是加速获取目标性能的有效手段。开展新型压电材料智能化多元寻优，是进一步提升压电材料性能、开发高性能压电器件的关键。

2.压电传感器件在电气工程中的应用

2.1压缩式压电传感器及其应用

其由压电材料、基座、质量块、弹簧、螺栓等构成，压电材料位于质量块和基座之间，螺栓对传感器整体起机械支撑作用。当传感器受到外部加速度作用时，质量块会在压电材料上施加与输出信号成正比的压力，质量块的质量越大，压力越大，输出信号也越大。根据传感器振动模式可以发现，压电材料输出电压方向与受力方向相同，压缩式压电加速度传感器压电性能主要受压电系数影响。压缩式加速度传感器通常能承受很大的加速度冲击，而由于压电材料和基座直接连接，在强冲击下基座应变和压电材料形变会导致传感器输出信号发生零点漂移和温度漂移。选取弹性模量较高的材料或者选用剪切式压电加速度传感器（基座不与压电材料直接接触），可在一定程度抑制漂移现象。

2.2弯曲式压电传感器及其应用

压缩式传感器较易获得外界振动激励，压电材料系数较高、压电性能较好，是目前使用最多的振动传感器。然而这类传感器输出响应调控主要基于选取不同规格质量块，谐振频率普遍较高，难以适用于低频微振动传感。采用弯曲式悬臂梁结构，有望突破低频微振动传感的关键问题。弯曲式压电传感器多采用悬臂梁结构，悬臂梁自由端装配质量块，压电晶片（或薄膜）粘贴于悬臂梁侧面，根据粘贴晶片的数量可分为单晶悬臂梁和双晶悬臂梁。传感器受力振动时，侧面受拉伸压缩，使压电材料发生形变输出电信号。根据传感器振动模式可以发现，压电晶片输出电压方向垂直于受力方向，弯曲式压电加速度传感器压电性能主要受压电系数影响。弯曲式压电加速度传感器多采用“软”压电陶瓷或柔性压电聚合物以增加其振幅。

2.3压电超声传感器及其应用

根据传感器耦合方式，超声传感器可分为接触式和非接触式。接触式超声传感器主要用于变压器、组合电器等大型电力设备监测，非接触式超声传感器则主要用于电力电缆、开关柜等电力设备检测。根据国家电网企业标准《Q/GDW11061—2017 局部放电超声波检测仪技术规范》要求，对于接触式超声传感器（不含前置增益），其峰值灵敏度一般不小于 30dB（V/（m/s）），均值灵敏度一般不小于 40dB（V/（m/s）），可以测到不大于 40dB 的传感器输出信号;对于非接触式超声传感器，在距离声源 1m 时，可以测到声压级不大于 35dB 的超声波信號[2]。由于受制造工艺限制、安装不当等因素的影响，电力设备难免会产生表面附着物、内部气泡、表面裂纹等缺陷，进而导致局部放电的发生。在电网运维周期中，主要通过超声传感器进行电力设备局部放电检测。当电力设备内部绝缘发生局部放电时，会相应产生超声波信号，超声波信号沿绝缘介质和金属导体传导至外壳，并通过介质向外界传播。通过在电力设备外壳或设备附近安装的压电超声传感器，可以耦合收集到局部放电产生的超声信号，进而判断电力设备放电情况。

2.4压电电声脉冲（PEA）传感器及其应用

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。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。

3.发展趋势

3.1环境适应性

压电传感设备多运行在户外环境，关键压电材料受温度、湿度等环境因素影响较大，带来较大的量测误差，加之结构热适配、电路匹配等因素综合影响，传感器不可避免地存在温度、频率漂移等问题。

3.2环境友好

能源互联网建设中大量应用传感器件，对传感材料的环境友好性提出了更高要求。PZT 等含铅材料仍是目前压电器件特别是商用传感器的主流材料，铅元素的过度使用已对环境造成了潜在威胁。尽管无铅材料压电系数已经可以同含铅材料媲美，但仍存在稳定性差、退极化等问题，难以实现实际应用[3]。

3.3稳定性

压电传感关键参数依赖压电材料极化状态，而压电材料在长期机电耦合作用下会发生老化、疲劳等导致性能降低，严重影响压电传感器件的长期运行可靠性。

3.4精确度

当前传感器件在频带宽度、灵敏度、结构体积等因素之间存在矛盾，分辨率和灵敏度仍存在不足，在复杂工况下误判率较高。

结束语：

特定应用场景需要压电材料实现压电系数、居里温度、机电耦合系数等压电性能协同提升，而新材料开发面临制备周期长、试错成本高等难题。基于机器学习人工智能方法，结合高通量批量化制备和表征手段，实现高性能环境友好型压电材料组分快速寻优，是未来压电材料发展的趋势。

参考文献：

[1]曾祥莉.压电材料驱动柔性行走机构的理论与试验研究[D].吉林大学，2020.

[2]刘婷，赵程，张刚华，王元元.应用于能量采集领域压电材料的研究进展[J].机械工程材料，2020，44（06）：82-87+92.

[3]孔园洁.具有任意属性功能梯度压电材料断裂分析[D].哈尔滨理工大学，2020.