壓電材料與器件在電氣工程領域的應用

姚睿豐 王 妍 高景暉 陳 川 郭經紅

壓電材料與器件在電氣工程領域的應用

姚睿豐1王 妍2高景暉1陳 川2郭經紅2

（1. 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學） 西安 710049 2. 全球能源互聯網研究院有限公司電力傳感技術研究所 北京 102209）

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。壓電材料作為感知電力設備放電、振動等信號的關鍵材料，在電力設備振動監測、放電檢測、探傷、溫度測量、電壓傳感等領域得到廣泛應用。該文總結了典型壓電傳感材料的發展概況，歸納了壓電振動傳感器、聲傳感器、電壓傳感器在電氣工程中的實際應用。在此基礎上，指出當前壓電傳感器仍存在精確度較低、穩定性差、環境適應性弱和誤判率高等顯著問題，需要從高性能材料快速開發、傳感器拓撲設計、智能化補償等方面發展新一代智能化壓電傳感器件。

壓電材料 壓電傳感技術 狀態感知 智能化

0 引言

全球第四次工業革命正極大地改變電力能源生產和傳輸方式，引發了電力能源行業與物聯網深度融合，使得能源互聯網建設成為我國新基建的迫切需求。能源互聯網是建立在傳感器全面感知電網中源、網、儲、荷電力設備的運行狀態信號基礎上的智能互聯，具有狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活等特征，是應對外部數字經濟、互聯網經濟等社會經濟形態變革和電網復雜程度增大等內部電網形態變革的核心舉措[1-4]。隨著電網形態逐漸由建設周期轉向維護周期，實現能源互聯網除了構建靈活、穩定、安全的能源網絡，更加重要的在于電網狀態量的實時測量與反饋調整，進而結合后續分析算法實現信息的智能感知和故障的智能自愈。通過先進的傳感和量測技術對電力設備狀態進行感知，是構建泛在能源互聯網大數據資源的基礎。而傳感器作為電力物聯網中設備狀態感知的關鍵元件，決定了電力系統安全運行的總體技術水平[5]。

隨著電網自動化、智能化程度不斷提高，電力傳感器數字化、小型化、便捷化的需求日益迫切，其核心在于高性能材料的開發及其與器件的配合。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。

然而，受制于材料性能、器件封裝、拓撲結構等，壓電傳感器實際運行時仍存在精確度較低、穩定性差、誤判率高等顯著問題，逐漸難以適應復雜的電網運行環境，亟需在新材料快速開發、新型傳感器拓撲設計、傳感器穩定性和壽命提升、智能化補償等方面取得突破。近年來，人工智能、大數據領域飛速崛起，其在材料開發、器件設計、故障診斷等方面的應用日臻成熟[6-7]。利用數據處理技術和智能算法和對材料結構性能關系、器件拓撲等數據進行解釋、分析和預測，加速指導新材料發現、新拓撲設計、新器件開發，進而實現器件性能和穩定性提升，是未來傳感領域的重點發展方向。

本文基于能源互聯網實際傳感應用背景，對當前先進壓電材料的發展概況、壓電傳感器件在電氣工程領域的實際應用進行了綜述，并進一步探討了壓電傳感中亟待解決的問題和未來發展趨勢。

1 壓電材料

1.1 壓電效應

壓電效應表現為在機械應力的作用下壓電材料表面會產生電荷，且產生的電荷量和機械應力成正比。對于壓電效應，其基本應變-電荷型壓電方程可表示為

式中，為應變；E為彈性柔順系數矩陣；為應力；T為逆壓電系數；為電場強度；為電位移矢量；為壓電系數；為介電常數。

可以發現，當無外加電場時，壓電材料的電位移矢量即自發極化性能主要取決于壓電系數。壓電系數為三階張量，可以用帶縮略下標的矩陣單元表示為d的形式，其中下標表示電場方向，下標表示應力方向。值得注意的是，除三斜晶系外，壓電材料中矩陣多為稀疏矩陣。對于多數壓電材料，僅有縱向壓電系數33（極化方向和應力方向相同）、橫向壓電系數31和剪切壓電系數15等少數系數為非零值，對應壓縮、彎曲和剪切三種壓電模式，如圖1所示[8]。

圖1 三種典型壓電模式

此外，居里溫度C、機電耦合系數、壓電電壓常數、機械品質因數M、矯頑場C等參數也影響著壓電材料的使用溫度上限、機-電轉換效率、電壓輸出大小、機電諧振振幅、極化難易程度等性能，直接決定了壓電傳感器的工作性能和使用場景。

下面從無機壓電材料和有機壓電材料兩類壓電傳感器件常用材料出發，介紹壓電材料的發展及其在電氣工程中的應用。

1.2 無機壓電材料

無機壓電材料發展的歷程就是其壓電性能提升的過程，壓電材料壓電性能的提升主要基于元素摻雜進行宏觀調控。無機壓電材料性能發展可大致分為三個階段，無機壓電陶瓷性能發展示意如圖2所示。

圖2 無機壓電陶瓷性能發展示意圖

傳統壓電材料開發基于試錯方法，可以解決組分較少的單一成分（第一階段，如BaTiO3[9]、PbTiO3）及準同型相界（第二階段，如PZT、PMN-PT[10]、BCT-BZT[11]）壓電材料體系的開發。而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[12]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。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[13-18]。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，無機壓電材料即將迎來第三階段發展。

1.3 有機壓電材料

有機壓電材料因其良好的機械特性，被廣泛用于柔性傳感器件中。其中，聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）是最為典型的有機壓電材料，其壓電性來源于全反式構象的β晶相（一般經應力拉伸產生），β相含量占比越高壓電性能越好。因其柔性好、機械強度高（楊氏模量約 2 500MPa）、壓電電壓常數高、諧振頻帶寬和機械阻抗低等優點，PVDF被廣泛用于壓電電聲傳感器、壓電壓力波傳感器等柔性器件中。然而，PVDF等有機壓電聚合物材料壓電系數普遍較低（如PVDF的壓電系數33約28pC/N），且熔點和居里溫度在170℃以下，其作為壓電材料的有效使用溫度上限普遍低于100℃，限制了高溫環境下的應用。因此，如何提高壓電系數和擴寬使用溫度范圍，是PVDF等有機壓電材料的重要發展方向[19]。

研究者普遍采用共聚、共混、摻雜的方式提高有機壓電材料壓電性能。如Li Mengyuan等[20]將PVDF與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）共混形成復相結構，以提高壓電聚合物的溫度穩定性；Chen Xiaodong等[21]在PVDF中摻雜55%PZT陶瓷顆粒，使得復合材料的33大幅提升至超過160pC/N。另有研究者發現[22]，無需添加額外材料，PVDF在高壓強作用下結合折疊工藝，其β相含量可提升至98%，為提高有機壓電材料壓電性能提供了新思路。

2 壓電傳感器件在電氣工程中的應用

壓電材料在壓電傳感器件中的應用多種多樣，其核心在于機械能和電能的相互轉換：壓電材料受機械振動（壓電振動傳感器）、聲波傳導（壓電聲傳感器）等機械外力作用時晶格形變，引起極化狀態的變化，輸出傳感電信號，或通過對壓電材料受電場作用產生的形變進行測量來反映電場大小（壓電電壓傳感器）。

2.1 壓電振動傳感器及其應用

基于壓電振動傳感器的振動分析是一種狀態監測的重要手段，通過安裝在電力設備表面的振動傳感器獲得振動信號，從中提取特征量后結合數據處理及故障診斷方法，可有效評估運行狀態，被廣泛應用于電力設備在線監測或臨時性檢測[23]。

壓電振動傳感器是感知振動信號的一類傳感器件，按用途可分為壓電加速度傳感器、壓電力傳感器、壓電力矩傳感器、壓電應力傳感器等，其中以壓電加速度傳感器使用最為廣泛。對壓電加速度傳感器結構和后續電路做微小改動即可實現其余幾種壓電振動傳感器，這里僅對壓電加速度傳感器進行介紹。按不同振動方式和傳感器結構，壓電加速度傳感器可分為壓縮式（33型）、剪切式（15型）、彎曲式（31型）等。當驅動力較大而結構形變不大時，選擇33型轉換；驅動力較小而形變大時，考慮選擇31型轉換。

2.1.1 壓縮式壓電加速度傳感器

壓縮式壓電加速度傳感器如圖3所示。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33影響。

圖3 壓縮式壓電振動傳感器

石維等[24]采用固相燒結法制備了0.02BiGaO3-0.32BiScO3-0.66PbTiO3（BGSPT66）高溫壓電陶瓷，壓電系數33約320pC/N，居里溫度可達465℃，并以此設計雙振子壓縮式壓電加速度傳感器，如圖4所示，在20~200℃溫度區間內靈敏度保持在18mV·s2/mm左右。

圖4 雙振子高溫壓縮式壓電加速度傳感器[24]

黃新波等[25]基于壓電加速度傳感器（靈敏度100±10mV/g，頻率響應區間1.5Hz~10kHz），設計輸電導線微風振動傳感系統如圖5所示，可以實現對振動頻率1~150Hz、振動幅度0.1~1.5mm的導線振動信號的準確測量，進而計算推導得到導線動彎應變值。

圖5 導線微風振動傳感器[25]

此外，有研究者[26-27]選用PVDF壓電振動傳感器監測SZ451型（正傘型）500kV雙回路高壓輸電桿塔及輸電桿塔固有頻率的變化，進而評估桿塔機械強度。另有研究人員[28-30]將PZT壓電振動傳感器用于螺栓松動檢測，利用壓電導納譜的峰值頻率表征螺栓預緊力狀態。

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[31]。

2.1.2 剪切式壓電加速度傳感器

剪切式壓電加速度傳感器如圖6所示。其結構與壓縮式傳感器類似，壓電敏感元件處于中心柱和質量塊中間，采用壓縮環或螺栓提供預壓力。在接收外部振動時，質量塊產生的剪切應力直接作用在敏感元件上。由于敏感元件和傳感器基座分離，敏感元件受溫度影響較小。壓電元件圍繞固定中心支柱徑向安裝，慣性質量塊圍繞這些元件安裝。整個結構通過最常用的粘接方式連在一起，剪切型加速度通常表現出更高的基座應變靈敏度和溫度瞬態響應靈敏度。

圖6 剪切式壓電加速度傳感器

除上述典型壓電加速度傳感器，也有課題組和企業針對復雜空間測量需求，研發多模式混合加速度傳感器和三軸加速度傳感器。Gao Xiangyu等[32]基于PNN-PZT壓電材料，設計了同時具有33和31振動模式的鈸形壓電傳感器；Han Ruihua等[33]設計基于PZT壓電薄膜的四懸臂梁彎曲式三軸加速度傳感器，諧振頻率230.46Hz，、、三軸電荷靈敏度分別達到23.85pC/g、4.62pC/g和4.62pC/g。飛思卡爾、西人馬等公司也分別推出2.7kHz帶寬的三軸模擬加速度傳感器和靈敏度（±10%）100mV/g、頻率響應（±5%）10Hz~6kHz的壓縮式三軸加速度傳感器。

2.1.3 彎曲式壓電加速度傳感器

壓縮式傳感器較易獲得外界振動激勵，剪切式傳感器壓電材料15系數較高、壓電性能較好，是目前使用最多的兩類振動傳感器。然而這兩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。

彎曲式壓電加速度傳感器如圖7所示。彎曲式壓電加速度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31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。

圖7 彎曲式壓電加速度傳感器

相比于壓縮式和剪切式振動傳感器，彎曲式振動傳感器頻率響應方便調節。閆震等[34]選用PZT-5H為壓電晶片，探討了彎曲式壓電懸臂梁器件結構參數與輸出電壓的關系。研究結果表明，在外力激勵環境下，單、雙晶壓電懸臂梁輸出電壓均隨長度線性增加，隨寬度反比例降低。另針對工作溫度較低的問題，Wu Jingen等[35]采用0.367BiScO3-0.633PbTiO3高溫壓電陶瓷（C=450℃）作為壓電雙晶片，其諧振頻率為40.75Hz，高溫壓電雙晶彎曲式傳感器如圖8所示。

圖8 高溫壓電雙晶彎曲式傳感器[35]

此外，有研究者將懸臂梁自由端質量塊替換為磁鐵設計壓電電流傳感器[36-39]：當電流流經導線時，導線周圍產生感應磁場并與磁鐵相互作用，驅動懸臂梁彎曲產生電信號。但受振幅限制，測量范圍通常僅為數安培，難以在電網中得到實際應用。

2.2 壓電聲傳感器及其應用

對于壓電傳感器，除振動信號外，聲波信號也可較好地實現與電信號的耦合與相互轉換[40-41]。根據聲波激勵、傳播和耦合方式的不同，壓電聲傳感器可分為壓電超聲傳感器、聲表面波傳感器、電聲脈沖傳感器、壓力波傳感器等。

2.2.1 壓電超聲傳感器

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，如圖9所示。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/GDW 11061—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。

圖9 超聲傳感器的兩種檢測形式

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如圖10所示的壓電超聲傳感器，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。

圖10 壓電超聲傳感器

黎大健等[42]以220kV的氣體金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear, GIS）母線腔體為研究對象，模擬了金屬突起和金屬懸浮等缺陷，使用諧振頻率30kHz的壓電超聲傳感器，通過對比超聲信號時域波形、頻譜、PRPD圖譜中特征量，實現對產生局部放電的缺陷類型的判斷，檢測靈敏度達到10pC。另針對電力變壓器局部放電的精準定位問題，李繼勝等[43]基于超聲波相控陣理論，研制了16×16陣元的平面超聲波相控陣壓電傳感器陣列，傳感器中心頻率為150kHz，帶寬達到100kHz。使用壓電聲源和油間隙放電等模擬實驗對傳感器陣元的性能進行了實測，結果表明，該傳感器能夠對變壓器局部放電產生的超聲波信號進行靈敏接收和定位。但具體應用時，仍需對超聲波傳播時會產生的反射、折射等復雜問題開展進一步研究。

此外，壓電超聲傳感器也廣泛應用于電力設備內部缺陷檢測，其原理為通過檢測超聲導波在試件中的傳播特性，實現對各種材料試件的宏觀缺陷、組織結構、力學性能變化進行檢測和表征，具有靈敏度高、衰減小、可定位的優點，受到研究者密切關注[44-46]。

馬君鵬等[47]基于壓電超聲導波理論，提出了一種盆式絕緣子缺陷檢測及定位方法。檢測裝置如圖11a所示，包括超聲導波檢測儀、上位機和7個壓電超聲傳感器（1個諧振頻率為100kHz用于產生激勵導波信號的發射型傳感器，6個進行導波信號接收的接收型傳感器）。通過分析Lamb波在盆式絕緣子中的傳播特性（見圖11b、圖11c），實現對絕緣子內部氣泡、外部附著物及裂紋等缺陷的檢測，且能夠在微小缺陷引起局部放電等其他故障前及時預警，并精確定位缺陷位置，為盆式絕緣子損傷機理的研究和材料、工藝及安裝方法的改進提供數據基礎。

圖11 基于壓電超聲導波檢測絕緣子缺陷[47]

另有研究者同樣基于超聲導波技術，設計了如圖12所示的PZT—5壓電超聲傳感器件組，用于輸電線桿塔拉線棒缺陷的無損檢測[48]。通過對拉線棒中超聲導波傳播特性分析后，選取L(0,1)模態研究了不同截面損失率下缺陷和端面回波幅值的對應關系，實現了對拉線棒缺陷的準確識別。

圖12 用于拉線棒缺陷檢測的壓電超聲傳感器[48]

2.2.2 壓電聲表面波（SAW）傳感器

聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）是一種沿彈性基體表面傳播的聲波，被廣泛應用于壓電傳感器件。實際制備壓電SAW傳感器時，通常采用半導體加工工藝在壓電基體上沉積叉值換能器（Interdigital Transducer，IDT），如圖13所示。當電壓加到發射IDT上時，發射IDT發射SAW沿基體表面傳播，當溫度、壓力、氣體等物理或化學參量作用到壓電SAW傳感器表面時，SAW傳播速度/頻率發生改變，并通過接收IDT測量得到。

圖13 壓電SAW傳感器

壓電SAW傳感器主要基于延遲線作為其傳感單元，因SAW傳播速度與溫度直接相關（見式（2）），被廣泛應用于溫度傳感場景。

式中，Δ為速度的變化；0為SAW傳播速度；TCD為延遲溫度系數，受壓電材料晶體結構及切向影響；為環境溫度；ref為參考溫度。

為提高傳感器靈敏度，一般選取TCD較高的材料如鈮酸鋰、鉭酸鋰、石英晶體等材料。C.E.Weld等[49]采用ST切割石英壓電晶體（TCD=32×10-6/℃）作為SAW溫度傳感器敏感材料，分辨率可達0.22℃。另有研究者基于128°YXLiNbO3材料（TCD=75× 10-6/℃）制備壓電SAW溫度傳感器。實際應用時該類傳感器受環境質量負載效應影響較大，需采用密封封裝。

壓電SAW溫度傳感器在電網中得到了實際應用，有研究者將壓電聲表面波溫度傳感器安裝于某10kV配電網架空電力線路桿塔刀開關螺栓處，如圖14所示[50]，監測輸電線路溫度變化情況，實測結果顯示傳感溫度數據變化趨勢與實際用電情況相符。丁永生等[51]選用（0, 126°, 0°）及（0, 126°, 39°）AT切石英構成差動式SAW溫度傳感器，用于配電變壓器油溫監測，其在常溫段具有較好的線性度，在高溫段具有較高的靈敏度，可有效補償高溫對器件性能的影響。

圖14 基于壓電SAW溫度傳感器測量電力桿塔溫度[50]

壓電SAW傳感器件也可用于氣體傳感，其基本原理是傳感器表面敏感膜材料對特定待測氣體產生吸附，導致聲表面波傳播速度波動，從而引起振蕩頻率的變化，完成對待測氣體的檢測。研究者先后基于YZ-LiNbO3、ST-X石英、128°YXLiNbO3等壓電基體，完成對CO2、H2、NO2等氣體的檢測[52-55]，有望用于變壓器油分解氣體檢測和電纜脫氣檢測等領域。此外，壓電SAW傳感器在壓力傳感、濕度檢測、角速度檢測等方面也已展開實際應用。

與傳統傳感器相比，SAW傳感器在檢測精度及靈敏度等方面仍存在不足，亟需對器件性能和系統穩定性進行改善，需要從其物理結構、電路設計、器件拓撲、敏感膜選取和制備等方面來改善其精度、檢測下限及穩定性。

2.2.3 壓電電聲脈沖（PEA）傳感器

1985年，T. Takada等提出電聲脈沖法（Pulsed Electro-Acoustic，PEA）用于測量空間電荷[56]，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[57]。

壓電電聲脈沖傳感器普遍用于電纜空間電荷測量，如圖15所示。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[58-59]。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[60]和將電纜外屏蔽層電位懸空[61]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[62]、LDPE/ZnO[63]、EP/SiO2[64]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。

圖15 利用壓電電聲脈沖傳感器測量電纜空間電荷[58-59]

壓電電聲脈沖傳感器的空間分辨率和靈敏度主要取決于電脈沖形狀和壓電傳感器自身性能，降低電脈沖寬度和壓電膜厚度可以有效提高傳感系統分辨率。L. Galloy等[65]用2ns窄脈沖擾動源，以厚度1.5μm的P(VDF-TrFE)材料作為壓電傳感器，獲得46μm的空間分辨率；T. Maeno等[66]采用5ns窄脈沖和4μm厚PVDF薄膜傳感器，獲得約3μm的分辨率；K. Kumaoka等[67]用0.6ns超窄脈沖，以厚度1μm的PVDF壓電薄膜作為傳感器，將分辨率大幅提升至1.6μm。

2.2.4 壓電壓力波（PWP）傳感器

除壓電電聲脈沖傳感器外，壓電壓力波（Pressure Wave Propagation, PWP）傳感器同樣被廣泛用于固體介質空間電荷測量。不同壓電壓力波傳感器產生壓力波的方式略有不同，如利用薄壓電陶瓷片產生壓力脈沖即壓電感應壓力波傳播法（PIPWP）、利用PVDF壓電薄膜產生壓力脈沖（壓電壓力波傳播法（Piezo-PWP））等，但測量原理基本相同：產生壓力波在介質中傳播引起介質產生形變，導致介質內部局部電場的微小變化，從而在外電路上感應出對應的電壓或者電流信號，由此反映絕緣介質內部的空間電荷分布情況。常見壓電壓力波傳感器測試裝置如圖16所示[68]。

壓力波階躍上升沿寬度或脈沖寬度應盡可能窄（遠小于介質厚度），以提高壓電壓力波傳感器分辨率和靈敏度。鄭飛虎等[69]研究發現，壓電薄膜厚度、電脈沖下降沿寬度、背襯層材料及聲傳播介質等因素都會對壓力波脈沖波形和脈沖寬度產生影響，實際測試時選用25μm壓電薄膜產生脈寬約50ns的單極性壓力波聲脈沖。

圖16 壓電壓力波傳感器測試裝置[68]

目前壓電壓力波傳感器的理論模型與測量技術已經基本明晰，在工業界已開始推廣應用。如S.Holé等[70]將壓電壓力波傳感器用于歐洲BEST PATHS項目中高壓超導直流電纜絕緣測試，在極低溫度下對液氮/紙復合絕緣空間電荷分布進行了測量，其測試裝置如圖17所示。

圖17 壓電壓力波傳感器測試裝置[70]

2.3 壓電電壓傳感器及其應用

壓電電壓傳感器工作原理如圖18所示，其主要基于逆壓電效應，將施加于壓電材料上的電信號轉換為位移或者形變信號，再進一步通過其他方式進行檢測，進而實現對電壓信號的量測。

圖18 壓電電壓傳感器檢測示意圖

壓電電壓傳感器可分為基于應力檢測的壓電電壓傳感器、基于光檢測的壓電電壓傳感器和基于電容值檢測的壓電電壓傳感器。

2.3.1 基于應力檢測的壓電電壓傳感器

壓電電壓傳感器研究早期，K. Kawamura等[71]使用壓力傳感器對壓電材料的電致應變進行檢測，如圖19所示。檢測電壓峰值可達26kV，測量誤差小于2%，頻率測量范圍0~2.5kHz。但此類傳感器檢測范圍和精度易受附加壓力傳感器限制，且需額外電源供電，增加了電壓傳感器的復雜性，難以滿足新型傳感器小型化、無源、抗干擾能力強等要求，實際應用困難。

圖19 基于應力檢測的壓電電壓傳感器[71]

2.3.2 基于光檢測的電壓傳感器

相比于基于應力檢測，通過利用無源光學器件測量壓電材料形變更為便捷。K. M. Bohnert等[72]將石英壓電晶體與雙模光纖聯用，通過檢測光纖中的相干光相位變化對壓電材料形變進行測量，頻率測量范圍50Hz~11kHz，測量電壓高達520kV，但其設備體積較為龐大；另有研究人員聯用PZT等高壓電性能陶瓷多晶與光柵器件[73-75]，將難以準確測量的壓電材料形變轉換為光柵中心波長變化進行檢測，有效提高了測試精度。

G. Fusiek等[76]使用多個厚度為4mm的PZT壓電陶瓷片構成疊層結構，以放大壓電陶瓷在同等電壓下的位移大小。傳感器最大量程5kV，頻率測量范圍50Hz~20kHz。研究者采用外加鋁制結構對壓電陶瓷到光纖光柵的位移進行傳遞，減小了對單個壓電陶瓷片厚度的要求，但位移的多次傳遞可能引入額外的測量誤差。

2.3.3 基于電容值檢測的電壓傳感器

此外，Xue Fen等[77]將兩層極化方向相反、兩端固定的PVDF壓電薄膜疊加成電容的上電極，外加固定的電容下電極組成壓電式電壓傳感器。當外加電場變化時，PVDF薄膜發生彎折電容極板結構變化，導致電容值發生變化，通過實時測量電容值來反推外加電場的信息。

盡管壓電聚合物薄膜（PVDF）在厚度方向的伸縮振動諧振頻率遠高于普通壓電陶瓷，可獲得接近10MHz寬頻帶響應和22kV/cm的測量量程，但由于其壓電系數遠遠小于普通的壓電陶瓷，形變通常在nm級，即使使用光學器件也很難對其檢測，因此使用PVDF進行電壓/電場傳感研究的難點在于將微納級形變轉換為其他可測、易測的物理量。

2.4 發展趨勢

從以上壓電傳感器件在電氣工程領域的實際應用情況可以發現，盡管壓電傳感方法已用于感知電力設備振動、局部放電、空間電荷分布、電壓等信號，但隨著能源互聯網的發展，對電力設備傳感準確性、可靠性和穩定性等提出了越來越高的要求，壓電傳感技術面臨著以下幾方面的挑戰：

（1）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。

（2）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）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。

（4）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。

要解決上述問題，亟需從以下幾方面取得突破：

（1）新型壓電材料開發。針對電網多應用場景，需要壓電材料實現壓電系數、居里溫度和機電耦合系數等壓電性能的協同提升。結合人工智能方法發展環境友好先進壓電材料，增強其穩定性和環境適應性，是壓電領域的發展趨勢。

（2）新型壓電傳感器拓撲設計。針對電力設備傳感應用的傳感器件、材料一體化設計，實現傳感材料和器件的高度配合、傳感器與設備的高度融合已成為未來智能壓電器件的發展趨勢。亟需開發新型傳感器拓撲結構，提升傳感器綜合性能。

（3）智能化補償。在盡可能提升壓電材料和器件壓電性能和穩定性的同時，還需針對傳感器的動態特性進行特定補償（如進行動態補償網絡修正），以消除誤差和環境因素影響。此外，在密集電力設備強電磁環境下實現電磁兼容也是確保壓電傳感器件安全穩定運行的重要因素。

3 結論

1）壓電材料及其傳感器件廣泛應用于電力設備振動、聲、電壓傳感領域，為能源互聯網智能感知、泛在互聯提供保障。但面向規模不斷擴大的智能電網系統，壓電傳感器環境適應性差、誤判率高、穩定性差等方面的問題仍亟待解決。

2）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。

3）現有壓電器件制造與電力設備應用需求存在脫節，如何針對電力設備復雜運行環境，開發新穎有效的傳感器拓撲，提出壓電傳感器件智能化制造和補償方法，是未來相關技術研發過程中需著重考慮的關鍵問題。

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Applications of Piezoelectric Materials and Devices in Electric Engineering

Yao Ruifeng1Wang Yan2Gao Jinghui1Chen Chuan2Guo Jinghong2

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’ an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. Department of Electric Power Sensing Technology Global Energy Interconnection Research Institute Co. Ltd Beijing 102209 China）

With the long-term development of energy revolution and energy internet, the demand for automatic, intelligent and information-based power grid has been more and more urgent. It is required to provide information for multi-scene application of power grid based on the advanced sensing technology, so as to keep smart grid safe and reliable under complex working conditions. Piezoelectric materials, as the key materials to measure the discharge and vibration signals, have been widely used in the aspects of measuring vibration, discharge, defects, temperature, voltage and other properties of power equipment. In this paper, the development of typical piezoelectric sensing materials, as well as the applications of piezoelectric vibration sensors, sonic sensors and voltage sensors have been reviewed. Furthermore, the situation that there still existed problems like low accuracy, poor stability and weak environmental adaptability for current piezoelectric sensors is pointed out, which requires new-generation smart piezoelectric sensors by means of rapid development of piezoelectric materials with high properties, structure design of sensors and intelligent compensation.

Piezoelectric materials, piezoelectric sensing technology, state sensing, intelligentization

TM22; TP212

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201350

國家重點研發計劃資助項目（2019YFC0312204）。

2020-10-01

2020-12-28

姚睿豐 男，1995年生，博士研究生，研究方向為功能電介質及其傳感器件。E-mail：yrf831143@stu.xjtu.edu.cn

高景暉 男，1984年生，教授，博士生導師，研究方向為新型電工材料。E-mail：gaojinghui@xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）