壓電材料與器件在電氣工程領域的應用

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網的持續建設，對電網自動化、智能化、信息化的需求日益迫切，亟需先進的電力設備傳感量測方法為電網多場景應用提供信息支撐，以保證智能電網在復雜工況下的安全可靠運行。該文總結了壓電材料的發展概況，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際應用。

關鍵詞：壓電材料;壓電傳感技術;發展趨勢

前言：

作為與設備高度融合的傳感器件，壓電傳感器實現了機械-電信號轉換，具備無源、小型化、抗干擾能力強等優勢，是感知電力設備振動、放電等狀態的關鍵器件，在壓電振動傳感器、超聲傳感器、聲表面波傳感器等方面得到了廣泛應用。此外，還有基于物理量耦合與轉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、電流等物理信號轉換為振動信號或聲信號，通過對轉換后的物理量進行測量反推出原信號值。

1.壓電材料的發展

隨著壓電材料應用需求和應用場景的增加，對高性能壓電材料的需求日益迫切，現有基于試錯方法開發的材料體系已經發展至瓶頸期，逐漸難以滿足精密傳感要求。近年來有研究表明，Sm 摻雜 PMN-PT 等新型復雜多元組分摻雜可以使壓電材料壓電性能大幅提升，壓電系數可達現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摻雜和材料多尺度復雜結構等特點，使得成分遍歷制備方法以及單一尺度的材料結構表征方法等傳統手段工作量巨大，無法滿足新型超高性能壓電材料開發的要求，基于人工智能新方法開發新型超高性能壓電材料及其器件已成為未來傳感領域前進的必然趨勢[1]。相比于傳統制備手段，人工智能尋優方法可利用較少的實驗數據，在多元素配方的高維空間中建立性能成分關系模型指導配方設計，具有很高的材料開發效率，是加速獲取目標性能的有效手段。開展新型壓電材料智能化多元尋優，是進一步提升壓電材料性能、開發高性能壓電器件的關鍵。

2.壓電傳感器件在電氣工程中的應用

2.1壓縮式壓電傳感器及其應用

其由壓電材料、基座、質量塊、彈簧、螺栓等構成，壓電材料位于質量塊和基座之間，螺栓對傳感器整體起機械支撐作用。當傳感器受到外部加速度作用時，質量塊會在壓電材料上施加與輸出信號成正比的壓力，質量塊的質量越大，壓力越大，輸出信號也越大。根據傳感器振動模式可以發現，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，在強沖擊下基座應變和壓電材料形變會導致傳感器輸出信號發生零點漂移和溫度漂移。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象。

2.2彎曲式壓電傳感器及其應用

壓縮式傳感器較易獲得外界振動激勵，壓電材料系數較高、壓電性能較好，是目前使用最多的振動傳感器。然而這類傳感器輸出響應調控主要基于選取不同規格質量塊，諧振頻率普遍較高，難以適用于低頻微振動傳感。采用彎曲式懸臂梁結構，有望突破低頻微振動傳感的關鍵問題。彎曲式壓電傳感器多采用懸臂梁結構，懸臂梁自由端裝配質量塊，壓電晶片（或薄膜）粘貼于懸臂梁側面，根據粘貼晶片的數量可分為單晶懸臂梁和雙晶懸臂梁。傳感器受力振動時，側面受拉伸壓縮，使壓電材料發生形變輸出電信號。根據傳感器振動模式可以發現，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用

根據傳感器耦合方式，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備監測，非接觸式超聲傳感器則主要用于電力電纜、開關柜等電力設備檢測。根據國家電網企業標準《Q/GDW11061—2017 局部放電超聲波檢測儀技術規范》要求，對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）），可以測到不大于 40dB 的傳感器輸出信號;對于非接觸式超聲傳感器，在距離聲源 1m 時，可以測到聲壓級不大于 35dB 的超聲波信號[2]。由于受制造工藝限制、安裝不當等因素的影響，電力設備難免會產生表面附著物、內部氣泡、表面裂紋等缺陷，進而導致局部放電的發生。在電網運維周期中，主要通過超聲傳感器進行電力設備局部放電檢測。當電力設備內部絕緣發生局部放電時，會相應產生超聲波信號，超聲波信號沿絕緣介質和金屬導體傳導至外殼，并通過介質向外界傳播。通過在電力設備外殼或設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生的超聲信號，進而判斷電力設備放電情況。

2.4壓電電聲脈沖（PEA）傳感器及其應用

其基本原理是在介質兩端電極上加上電脈沖擾動源，介質中的空間電荷和電極界面都受到這一脈沖電場力作用而相應地產生聲脈沖。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）接收與測量這些聲脈沖，即可獲得介質內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量。研究人員在電纜半導電層外直接施加高壓脈沖，實現了在高壓長電纜中測量空間電荷。但由于目前超高壓電纜為保證良好屏蔽特性采用電導率較高的外屏蔽半導電材料，此方法信噪比往往較低。在此基礎上，研究者采用將電纜外屏蔽層分段截斷和將電纜外屏蔽層電位懸空的方法，實現了全尺度電纜空間電荷測量。另有研究人員采用壓電電聲脈沖傳感器測量材料中空間電荷量的變化，結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提供重要依據。

3.發展趨勢

3.1環境適應性

壓電傳感設備多運行在戶外環境，關鍵壓電材料受溫度、濕度等環境因素影響較大，帶來較大的量測誤差，加之結構熱適配、電路匹配等因素綜合影響，傳感器不可避免地存在溫度、頻率漂移等問題。

3.2環境友好

能源互聯網建設中大量應用傳感器件，對傳感材料的環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，鉛元素的過度使用已對環境造成了潛在威脅。盡管無鉛材料壓電系數已經可以同含鉛材料媲美，但仍存在穩定性差、退極化等問題，難以實現實際應用[3]。

3.3穩定性

壓電傳感關鍵參數依賴壓電材料極化狀態，而壓電材料在長期機電耦合作用下會發生老化、疲勞等導致性能降低，嚴重影響壓電傳感器件的長期運行可靠性。

3.4精確度

當前傳感器件在頻帶寬度、靈敏度、結構體積等因素之間存在矛盾，分辨率和靈敏度仍存在不足，在復雜工況下誤判率較高。

結束語：

特定應用場景需要壓電材料實現壓電系數、居里溫度、機電耦合系數等壓電性能協同提升，而新材料開發面臨制備周期長、試錯成本高等難題。基于機器學習人工智能方法，結合高通量批量化制備和表征手段，實現高性能環境友好型壓電材料組分快速尋優，是未來壓電材料發展的趨勢。

參考文獻：

[1]曾祥莉.壓電材料驅動柔性行走機構的理論與試驗研究[D].吉林大學，2020.

[2]劉婷，趙程，張剛華，王元元.應用于能量采集領域壓電材料的研究進展[J].機械工程材料，2020，44（06）：82-87+92.

[3]孔園潔.具有任意屬性功能梯度壓電材料斷裂分析[D].哈爾濱理工大學，2020.