一種基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置，屬于電場(chǎng)傳感【技術(shù)領(lǐng)域】。本裝置中，兩個(gè)極化方向相反的壓電纖維層相互疊壓，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，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(gè)夾持緊固件之間。阻抗測(cè)量裝置的兩個(gè)輸入端分別與上電極層和下電極層相連。本傳感裝置利用壓電纖維層的壓電效應(yīng)，通過(guò)端部緊固將伸長(zhǎng)形變轉(zhuǎn)化為定向彎折形變，測(cè)量彎折壓電纖維層與參考層構(gòu)成的平行電容反映電場(chǎng)大小。本發(fā)明具有較高的電容響應(yīng)及靈敏度，并具有更好的溫度穩(wěn)定性和更大的測(cè)量范圍，為智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了高性能、低成本、安全可靠的電場(chǎng)傳感器。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置，屬于電場(chǎng)傳感【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]智能監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)僅局限在部分工業(yè)場(chǎng)合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。由于傳統(tǒng)電壓傳感器的測(cè)量范圍及測(cè)量精度有限，體積大成本高，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)及民用對(duì)于廣域分布傳感器節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)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(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)程。
[0003]集成化電場(chǎng)傳感器的出現(xiàn)為智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支持。電場(chǎng)傳感器是對(duì)一次系統(tǒng)無(wú)侵入的電壓測(cè)量裝置，已知電場(chǎng)環(huán)境中三個(gè)固定傳感節(jié)點(diǎn)位置的電場(chǎng)可采用高斯算法反推出電壓值。集成化的電場(chǎng)傳感器則將電場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)等原理。
[0004]對(duì)于光電效應(yīng)的電場(chǎng)傳感器一般應(yīng)用鍺酸秘光電材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)較成熟，已開(kāi)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(duì)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(shí)，目前光電傳感器的測(cè)量范圍不能達(dá)到電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過(guò)程測(cè)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(dòng)等原理適用于弱電場(chǎng)的測(cè)量，雖然微型化且具有高精度，但應(yīng)用領(lǐng)域非常有限，無(wú)法廣泛應(yīng)用于高電壓等級(jí)的工業(yè)領(lǐng)域中。
[0005]相比較而言，壓電材料有更廣域的電場(chǎng)測(cè)量范圍，溫度穩(wěn)定好，環(huán)境變化對(duì)其壓電響應(yīng)影響很?。煌瑫r(shí)，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(chǎng)環(huán)境。壓電傳感器的可測(cè)量電場(chǎng)涵蓋穩(wěn)態(tài)交直流電場(chǎng)、暫態(tài)過(guò)電壓、電磁環(huán)境等，可廣泛涉足工業(yè)場(chǎng)合和民用場(chǎng)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(chǎng)的測(cè)量中，因而壓電傳感器的一個(gè)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。
[0006]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(cè)試(即壓力下的電信號(hào)響應(yīng))及磁、電開(kāi)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(chǎng)傳感研究中深入發(fā)展，主要局限在于難以精確量測(cè)電場(chǎng)下材料形變或應(yīng)力，采用精密儀器等直接測(cè)量手段無(wú)法實(shí)用化，因此需要通過(guò)一定的轉(zhuǎn)化方式(如結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化)間接量測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)輸電配電線路電壓，為電網(wǎng)潮流監(jiān)測(cè)、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(shí)監(jiān)測(cè)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(yíng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提出一種基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置，利用壓電纖維層顯著的壓電效應(yīng)，通過(guò)端部的緊固將伸長(zhǎng)形變轉(zhuǎn)化為定向彎折形變，測(cè)量彎折壓電纖維層與參考層間電容值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)的測(cè)量。
[0008]本發(fā)明提出的基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置，其包括夾持緊固件、兩個(gè)壓電纖維層、上電極層、下電極層、參考層和阻抗測(cè)量裝置；所述的兩個(gè)壓電纖維層相互疊壓，疊壓時(shí)兩個(gè)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(gè)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(duì)；所述的阻抗測(cè)量裝置的兩個(gè)輸入端分別與上電極層和下電極層相連。
[0009]本發(fā)明提出的基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0010]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(chǎng)傳感器，本發(fā)明裝置實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)測(cè)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(chǎng)的增大而減小，在出現(xiàn)超量程的過(guò)電壓故障時(shí)，本發(fā)明裝置中的電容不會(huì)擊穿，從而確保了阻抗測(cè)量裝置的安全正常工作。
[0011]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(shí)具有溫度穩(wěn)定性，因而使本發(fā)明裝置不易損壞，延長(zhǎng)了裝置的使用壽命。
[0012]3、本發(fā)明裝置的工作原理是基于電容值的測(cè)量，與傳統(tǒng)的分壓原理電場(chǎng)傳感器相t匕，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(duì)一次系統(tǒng)的電壓、有功、無(wú)功等電氣量無(wú)任何影響，裝置的安裝和維護(hù)過(guò)程可帶電進(jìn)行。
[0013]4、本發(fā)明裝置體積小，集成化程度高，安裝環(huán)境簡(jiǎn)易，相比已有的光電傳感器，易于小型化，具有成本優(yōu)勢(shì)，壓電響應(yīng)值和電場(chǎng)測(cè)量范圍得到極大提高，更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)各點(diǎn)電壓的功能，可廣泛應(yīng)用于科研及工程領(lǐng)域，為電網(wǎng)潮流監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)故障診斷及絕緣配合等研究提供精確的數(shù)據(jù)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明提出的基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖1中，I是夾持緊固件，2是壓電纖維層，3是上電極層，4是下電極層，5是參考層，6是阻抗測(cè)量裝置。

【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明提出的基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括夾持緊固件1、兩個(gè)壓電纖維層2、上電極層3、下電極層4、參考層5和阻抗測(cè)量裝置6。兩個(gè)壓電纖維層2相互疊壓，疊壓時(shí)兩個(gè)壓電纖維層2的極化方向相反，疊壓后的壓電纖維層與上電極層3相互粘合，形成電容上極板，所述的參考層5與下電極層4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(gè)夾持緊固件I之間，使電容上極板和電容下極板中的上電極層3和下電極層4平行相對(duì)。阻抗測(cè)量裝置6的兩個(gè)輸入端分別與上電極層3和下電極層4相連。
[0017]本發(fā)明的基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置，其中的上、下電極層分別粘合在相應(yīng)的壓電纖維層和參考層的表面。壓電纖維層是由兩片尺寸相同極化方向相反的兩個(gè)壓電纖維層粘合而成，但粘合時(shí)，采用塑封等手段，使兩個(gè)壓電纖維層之間相互絕緣。壓電纖維片可選用彈性性能好的鋯鈦酸鉛纖維或聚偏氟乙烯-三氟乙烯等材料，兩片壓電纖維片應(yīng)尺寸一致、極化方向相反，粘接面理想平滑。參考層采用具有電場(chǎng)穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性的材料如半導(dǎo)體S1、導(dǎo)體硅鋼片等。夾持緊固件用于使壓電纖維層和參考層的兩端固定在任意一個(gè)絕緣物體上。阻抗測(cè)量裝置可以采用由Novocontrol Technologies公司生產(chǎn)的、型號(hào)為HP4294等介電譜儀。相互平行的電容上極板和電容下極板之間，以空氣或者其他絕緣油氣材料作為介質(zhì)。
[0018]本發(fā)明提出的基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置，其工作原理如下:
[0019]如圖1所示，設(shè)壓電纖維層2的厚度為t，上、下電極層的有效長(zhǎng)度和寬度分別為I和W，初始時(shí)刻，上、下電極層的間距為D，在測(cè)量裝置的(X，y, z)坐標(biāo)體系中，使原點(diǎn)O位于壓電纖維層的一端。
[0020]設(shè)待測(cè)電場(chǎng)沿z軸方向，由于待測(cè)電場(chǎng)與阻抗測(cè)量裝置施加在電容上極板和電容下極板之間的測(cè)量電場(chǎng)的方向相互垂直，因此可以實(shí)現(xiàn)待測(cè)電場(chǎng)與測(cè)量電場(chǎng)的解耦。待測(cè)電場(chǎng)使電容上極板產(chǎn)生彎折，阻抗測(cè)量裝置的輸入端與上、下電極層相連，通過(guò)壓電纖維層的受力及力矩平衡分析，得到電容上極板的彎折曲線f (Z):
[0021]f (Z) = 3 (1ζ-ζ2) Δ /8t
[0022]其中，Λ = kEd33為拉伸形變量，k為壓電纖維層所用材料的機(jī)電耦合系數(shù)，E為待測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度，d33為壓電纖維層所用材料的逆壓電系數(shù)，k和d33可以從材料參數(shù)手冊(cè)中查到；
[0023]利用電容上極板和電容下極板組成的平行電容的積分公式，可以得到待測(cè)電場(chǎng)的電容表達(dá)式，當(dāng)壓電纖維層向參考層彎折(E>0)時(shí)，電容表達(dá)式為:
? 16y,.u./^3/.Δ/τ_ ΑΧ
[0024]C= 1-Varclan If 〒，(￡>0)
^j4SlDA-9(l-Ay y48/DA-9(/-A)_
[0025]當(dāng)壓電纖維層背向參考層彎折(E〈0)時(shí)，電容表達(dá)式分別為:
[。_ C、 8 例,.Λ 十,崩(,.Λ)' (￡<0)
^4SlDA + 9 (/.Δ): 3/-Δ-^4SiDA + 9 (/.Δ):
[0027]其中，e(l = 8.85X10_12F/m，表示真空介電常數(shù)，ε ,為平行電容之間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，與介質(zhì)的材料有關(guān)，可以查閱相關(guān)手冊(cè)。根據(jù)上述電容表達(dá)式得到對(duì)傳感裝置實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0028]進(jìn)一步利用上述電容解析表達(dá)式，計(jì)算dC/dE，得到不同待測(cè)電場(chǎng)的測(cè)量靈敏度，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度E大于O時(shí)，測(cè)量靈敏度高，且測(cè)量靈敏度隨E的增加而增加。當(dāng)本發(fā)明的傳感裝置僅用于單極性電場(chǎng)測(cè)量時(shí)，可以使靠近電容下極板的壓電纖維層的極化方向與待測(cè)電場(chǎng)同向。當(dāng)本發(fā)明的傳感裝置應(yīng)用于特定的測(cè)量范圍和精度需求時(shí)，可以利用靈敏度來(lái)決定本發(fā)明傳感裝置中壓電纖維層的初始彎折程度。
[0029]利用本發(fā)明提出的基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，在-22kV/cm到+22kV/cm的測(cè)量范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述理論模型的電容一電場(chǎng)解析表達(dá)式非常吻合，這種壓電彎折效應(yīng)將基于普通壓電伸縮效應(yīng)的同等壓電能力的電容值提高到3.74倍(E = 22kV/cm, fs = 10MHz)，分辨率在E = O處提高了 2755倍(耦合系數(shù)k =0.2)，證實(shí)了本發(fā)明傳感裝置在電場(chǎng)測(cè)量中的優(yōu)越性。
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓電彎折效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置，其特征在于該電場(chǎng)測(cè)量傳感裝置包括夾持緊固件、兩個(gè)壓電纖維層、上電極層、下電極層、參考層和阻抗測(cè)量裝置；所述的兩個(gè)壓電纖維層相互疊壓，疊壓時(shí)兩個(gè)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(gè)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(duì)；所述的阻抗測(cè)量裝置的兩個(gè)輸入端分別與上電極層和下電極層相連。
【文檔編號(hào)】G01R29/12GK104267266SQ201410488022
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】何金良, 胡軍, 薛芬, 王善祥, 余占清, 曾嶸 申請(qǐng)人:清華大學(xué)