[發(fā)明專利]一種基于壓電彎折效應(yīng)的電場測量傳感裝置

有效

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• 申請日: 2014-09-23
• 公開（公告）號: CN104267266B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何金良;胡軍;薛芬;王善祥;余占清;曾嶸
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11201
• 代理人: 羅文群

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于壓電彎折效應(yīng)的電場測量傳感裝置，屬于電場傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

智能監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)及民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，然而受限于傳感器技術(shù)水平，現(xiàn)階段智能監(jiān)測系統(tǒng)僅局限在部分工業(yè)場合，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。由于傳統(tǒng)電壓傳感器的測量范圍及測量精度有限，體積大成本高，無法滿足工業(yè)及民用對于廣域分布傳感器節(jié)點(diǎn)簡易安裝、方便維護(hù)、安全可靠的需求，這極大限制了智能監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)程。

集成化電場傳感器的出現(xiàn)為智能監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支持。電場傳感器是對一次系統(tǒng)無侵入的電壓測量裝置，已知電場環(huán)境中三個固定傳感節(jié)點(diǎn)位置的電場可采用高斯算法反推出電壓值。集成化的電場傳感器則將電場偏置、溫度補(bǔ)償?shù)群蠖颂幚黼娐芳傻絺鞲衅鲀?nèi)部，實(shí)現(xiàn)體積的縮小，方便高精度傳感器的廣泛使用。集成化電場傳感器主要應(yīng)用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電磁感應(yīng)、生物薄膜、熱驅(qū)動等原理。

對于光電效應(yīng)的電場傳感器一般應(yīng)用鍺酸鉍光電材料來實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)較成熟，已開始應(yīng)用于直流換流站，然而光電傳感器的溫度穩(wěn)定性差，對激光源要求高，整體系統(tǒng)體積較大，安裝維護(hù)困難，因此僅適用于電力系統(tǒng)變電站或換流站中。同時，目前光電傳感器的測量范圍不能達(dá)到電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程測量的需求，這也限制它在電力系統(tǒng)故障診斷、絕緣配合等研究中的應(yīng)用。生物薄膜、熱驅(qū)動等原理適用于弱電場的測量，雖然微型化且具有高精度，但應(yīng)用領(lǐng)域非常有限，無法廣泛應(yīng)用于高電壓等級的工業(yè)領(lǐng)域中。

相比較而言，壓電材料有更廣域的電場測量范圍，溫度穩(wěn)定好，環(huán)境變化對其壓電響應(yīng)影響很小；同時，壓電傳感器可集成化和微型化，極大縮小傳感器體積，廣泛適用于各種電場環(huán)境。壓電傳感器的可測量電場涵蓋穩(wěn)態(tài)交直流電場、暫態(tài)過電壓、電磁環(huán)境等，可廣泛涉足工業(yè)場合和民用場合。壓電材料具有的線性壓電效應(yīng)使其適于作為傳感器的感應(yīng)材料，然而大多材料存在的滯回特性不利于壓電材料應(yīng)用于多變電場的測量中，因而壓電傳感器的一個重要突破方向是線性度高且滯回不明顯的高壓電響應(yīng)材料。

目前，壓電材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研領(lǐng)域中壓力測試(即壓力下的電信號響應(yīng))及磁、電開關(guān)狀態(tài)的控制(基于逆壓電效應(yīng)的滯回翻轉(zhuǎn)特性)。但是壓電材料未能在電場傳感研究中深入發(fā)展，主要局限在于難以精確量測電場下材料形變或應(yīng)力，采用精密儀器等直接測量手段無法實(shí)用化，因此需要通過一定的轉(zhuǎn)化方式(如結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化)間接量測材料形變或應(yīng)力。綜合而言，壓電傳感器可取代傳統(tǒng)的分壓式電壓互感器，用于實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)輸電配電線路電壓，為電網(wǎng)潮流監(jiān)測、故障診斷及絕緣配合等研究提供精確的大數(shù)據(jù)資源，也可用于實(shí)時監(jiān)測民用設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及用電發(fā)電雙向流，實(shí)現(xiàn)智能家居的全面建設(shè)和運(yùn)營。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種基于壓電彎折效應(yīng)的電場測量傳感裝置，利用壓電纖維層顯著的壓電效應(yīng)，通過端部的緊固將伸長形變轉(zhuǎn)化為定向彎折形變，測量彎折壓電纖維層與參考層間電容值，實(shí)現(xiàn)對電場的測量。

本發(fā)明提出的基于壓電彎折效應(yīng)的電場測量傳感裝置，其包括夾持緊固件、兩個壓電纖維層、上電極層、下電極層、參考層和阻抗測量裝置；所述的兩個壓電纖維層相互疊壓，疊壓時兩個壓電纖維層的極化方向相反，疊壓后的壓電纖維層與上電極層相互粘合，形成電容上極板，所述的參考層與下電極層相互粘合，形成電容下極板，電容上極板和電容下極板的兩端分別固定在左、右兩個夾持緊固件之間，使電容上極板和電容下極板中的上電極層和下電極層平行相對；所述的阻抗測量裝置的兩個輸入端分別與上電極層和下電極層相連。

本發(fā)明提出的基于壓電彎折效應(yīng)的電場測量傳感裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明裝置利用壓電纖維片的顯著壓電效應(yīng)，在兩端夾持固定下導(dǎo)致壓電纖維片的彎折，從幾何結(jié)構(gòu)角度放大壓電響應(yīng)。相比已有的基于壓電伸縮效應(yīng)的電場傳感器，本發(fā)明裝置實(shí)現(xiàn)了電場測量的高靈敏度及高分辨率。此外，本發(fā)明裝置中使用的壓電纖維層的壓電效應(yīng)具有飽和特性，且本發(fā)明裝置的機(jī)電耦合系數(shù)隨電場的增大而減小，在出現(xiàn)超量程的過電壓故障時，本發(fā)明裝置中的電容不會擊穿，從而確保了阻抗測量裝置的安全正常工作。

2、本發(fā)明裝置中粘接兩片反方向極化的壓電纖維層，使得電容上極板的彎折方向可以控制，彎折受力均勻，同時具有溫度穩(wěn)定性，因而使本發(fā)明裝置不易損壞，延長了裝置的使用壽命。

3、本發(fā)明裝置的工作原理是基于電容值的測量，與傳統(tǒng)的分壓原理電場傳感器相比，安全性提升，裝置成本極大降低。另外，本發(fā)明裝置為非侵入式傳感方式，因此對一次系統(tǒng)的電壓、有功、無功等電氣量無任何影響，裝置的安裝和維護(hù)過程可帶電進(jìn)行。