什么是壓電超聲傳感器？看完就懂了

，輸出傳感電信號(hào)，或通過(guò)對(duì)壓電材料受電場(chǎng)作用產(chǎn)生的形變進(jìn)行測(cè)量來(lái)反映電場(chǎng)大小（壓電電壓傳感器）。

聲波信號(hào)可較好地實(shí)現(xiàn)與電信號(hào)的耦合與相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)聲波激勵(lì)、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。

根據(jù)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1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(shè)備監(jiān)測(cè)，非接觸式超聲傳感器則主要用于電力電纜、開關(guān)柜等電力設(shè)備檢測(cè)。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q/GDW 11061—2017 局部放電超聲波檢測(cè)儀技術(shù)規(guī)范》要求，對(duì)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(cè)到不大于40dB的傳感器輸出信號(hào)；對(duì)于非接觸式超聲傳感器，在距離聲源1m時(shí)，可以測(cè)到聲壓級(jí)不大于35dB的超聲波信號(hào)。

由于受制造工藝限制、安裝不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊懀娏υO(shè)備難免會(huì)產(chǎn)生表面附著物、內(nèi)部氣泡、表面裂紋等缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致局部放電的發(fā)生。在電網(wǎng)運(yùn)維周期中，主要通過(guò)超聲傳感器進(jìn)行電力設(shè)備局部放電檢測(cè)。

當(dāng)電力設(shè)備內(nèi)部絕緣發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)沿絕緣介質(zhì)和金屬導(dǎo)體傳導(dǎo)至外殼，并通過(guò)介質(zhì)向外界傳播。通過(guò)在電力設(shè)備外殼或設(shè)備附近安裝如圖2所示的壓電超聲傳感器，可以耦合收集到局部放電產(chǎn)生的超聲信號(hào)，進(jìn)而判斷電力設(shè)備放電情況。

黎大健等以220kV的氣體金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear, GIS）母線腔體為研究對(duì)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(guò)對(duì)比超聲信號(hào)時(shí)域波形、頻譜、PRPD圖譜中特征量，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生局部放電的缺陷類型的判斷，檢測(cè)靈敏度達(dá)到10pC。

另針對(duì)電力變壓器局部放電的精準(zhǔn)定位問(wèn)題，李繼勝等基于超聲波相控陣?yán)碚?，研制?6×16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(dá)到100kHz。使用壓電聲源和油間隙放電等模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器陣元的性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果表明，該傳感器能夠?qū)ψ儔浩骶植糠烹姰a(chǎn)生的超聲波信號(hào)進(jìn)行靈敏接收和定位。但具體應(yīng)用時(shí)，仍需對(duì)超聲波傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生的反射、折射等復(fù)雜問(wèn)題開展進(jìn)一步研究。

此外，壓電超聲傳感器也廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備內(nèi)部缺陷檢測(cè)，其原理為通過(guò)檢測(cè)超聲導(dǎo)波在試件中的傳播特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料試件的宏觀缺陷、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能變化進(jìn)行檢測(cè)和表征，具有靈敏度高、衰減小、可定位的優(yōu)點(diǎn)，受到研究者密切關(guān)注。

馬君鵬等基于壓電超聲導(dǎo)波理論，提出了一種盆式絕緣子缺陷檢測(cè)及定位方法。檢測(cè)裝置如圖3a所示，包括超聲導(dǎo)波檢測(cè)儀、上位機(jī)和7個(gè)壓電超聲傳感器（1個(gè)諧振頻率為100kHz用于產(chǎn)生激勵(lì)導(dǎo)波信號(hào)的發(fā)射型傳感器，6個(gè)進(jìn)行導(dǎo)波信號(hào)接收的接收型傳感器）。

通過(guò)分析Lamb波在盆式絕緣子中的傳播特性（見圖3b、圖3c），實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子內(nèi)部氣泡、外部附著物及裂紋等缺陷的檢測(cè)，且能夠在微小缺陷引起局部放電等其他故障前及時(shí)預(yù)警，并精確定位缺陷位置，為盆式絕緣子損傷機(jī)理的研究和材料、工藝及安裝方法的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

另有研究者同樣基于超聲導(dǎo)波技術(shù)，設(shè)計(jì)了如圖4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(wú)損檢測(cè)。通過(guò)對(duì)拉線棒中超聲導(dǎo)波傳播特性分析后，選取L(0,1)模態(tài)研究了不同截面損失率下缺陷和端面回波幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拉線棒缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別。

本文編自2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“壓電材料與器件在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用”，作者為姚睿豐、王妍 等。