發布日期：2022-10-09 點擊率：113
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。
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）。
壓電電壓傳感器工作原理如圖1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1 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。
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等使用壓力傳感器對壓電材料的電致應變進行檢測，如圖2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2 基于應力檢測的壓電電壓傳感器
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，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。
3 基于電容值檢測的電壓傳感器
此外，Xue Fen等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。
本文編自2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為“壓電材料與器件在電氣工程領域的應用”，作者為姚睿豐、王妍 等。
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電壓傳感器
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電壓傳感器是指能感受被測電壓并轉換成可用輸出信號的傳感器。在各種自動檢測、控制系統中，常需要對高速變化的交、直流電壓信號做跟蹤采集，對于比較復雜的電壓波形做頻譜分析。
[1]
中文名
電壓傳感器
外文名
voltage sensor
作 用
測量電壓
類 型
電壓互感器、霍爾電壓傳感等
應 用
半導體保護等
學 科
檢測學
目錄
1
簡介
2
原理
3
分類
4
要求
5
選用原則
電壓傳感器簡介
編輯
語音
電壓傳感器是能感受被測電壓并轉換成可用輸出信號的傳感器。在各種自動檢測、控制系統中，常常需要對高速變化的交、直流電壓信號作跟蹤采集，對于比較復雜的電壓波形作頻譜分析。這類信號可能是高電壓、大電流等強電，也可能是負載能力很差的弱電或幅值很小的信號。在這些情況中，就需要采用合適的電壓傳感器對不能直接測量或不匹配的電壓信號進行采集，從而得到標準化、電氣隔離的電壓信號。
電壓傳感器
隨著越來越多新技術的發展，電壓傳感器也得到了進一步發展和應用。例如傳動系統的變頻器和整流器、不間斷電源、有源濾波器、無功補償、電池充放電、半導體保護、驅動保護等設備或系統中，大量使用了各種各樣的電壓傳感器。電壓傳感器的作用是自動檢測電壓，從而使我們能夠對設備或系統的電壓進行控制和顯示，必要時采取過電壓、欠電壓等自動保護措施。
電壓傳感器原理
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語音
對于交流電壓測量，可用電壓互感器作為傳感元件，即使用一臺電壓互感器將被測電壓降至到可利用的低電壓，然后通過相關電路變換成與被測電壓成線性關系的直流電壓送入到數據采集系統和A/D轉換器。當被測電壓為直流電壓時，可用分壓電阻作為傳感元件，并聯在被測元件兩端的電阻值應足夠大（一般應控制在消耗功率小于被測電機額定功率的1/1000以下）)，以盡可能地減少該回路電流產生的損耗給測量值造成的影響，對于低壓電機，應在10KΩ左右。取該被測電壓在電阻上的一部分電壓降作為信號，直接送入到數據采集系統和A/D轉換器。
[2]
電壓傳感器分類
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語音
電壓傳感器的作用是自動檢測電壓，從而使我們能夠對設備或系統的電壓進行控制和顯示，必要時采取過電壓、欠電壓等自動保護措施。常用的電壓傳感器根據其不同的工作機理和應用范圍大致可以分為：電壓互感器、霍爾電壓傳感器以及光纖電壓傳感器等幾種主要類型。(1)電壓互感器。隨著電力系統容量的日益擴大和電網電壓運行等級的不斷提高，電壓互感器已經成為電力系統中電能計量和繼電保護的重要設備之一，其測量精度及可靠性對電力系統的安全、穩定和經濟運行有著重要的影響。電壓互感器安裝在電力系統中一次與二次電氣回路之間，其主要功能就是按照一定的比例將輸電線路上的高電壓，降低到可以用儀表直接測量的標準數值，以便電壓測量儀表直接進行測量；電壓互感器除用作測量外，還可與繼電保護和自動裝置配合，對電網各種故障進行電氣保護和自動控制。電壓互感器實現一、二次系統的電氣隔離。(2)霍爾電壓傳感器。霍爾電壓傳感器是當今電子測量領域中應用最多的傳感器件之一，可廣泛應用于電力、電子、交流變頻調速、逆變裝置、電子測量和開關電源等諸多領域。霍爾電壓傳感器是一種能夠隔離主電流回路與電子控制電路的電壓檢測元件，具備優越的電性能，同一只檢測元件既可以檢測交流也可以檢測直流，甚至可以檢測瞬態電壓峰值，是有望替代傳統互感器的新一代產品。霍爾電壓傳感器按照不同的工作原理又可以分為：磁平衡式電壓傳感器、磁調制式電壓傳感器、光電隔離式電壓傳感器、高阻隔離式電壓傳感器。(3)光纖電壓傳感器。光纖電壓傳感器是新一代具有極強的生命力和競爭力的電壓檢測裝置。光纖電壓傳感器主要由光源、傳感頭、光電轉換及信息處理電路、計算機采集系統組成。光纖電壓傳感器采用非金屬晶體作為傳感頭，光纖作為傳感介質，使電網與測量電路能有效隔離，從而避免二次短路的危險。光纖電壓傳感器由于其傳感機理，具有不存在磁飽和、準確度高等優點；它利用光纖傳遞信息，抗干擾能力強，還能起到測量回路和高壓回路電氣隔離的作用，因而絕緣結構比傳統互感器簡單，并能減小體積、質量，有著傳統電磁式互感器無法比擬的優點。
[1]
電壓傳感器要求
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語音
利用電壓傳感器對電壓進行測量，一般要求所采集到的電壓信號與被測電壓量在幅值上成比例，兩者的相角完全相同或相差極小。此外，對于電壓傳感器還有以下的基本要求。(1)電壓傳感器接入被測電路應基本上不影響被測電壓的幅值和波形。(2)電壓傳感器所得電壓波形應與被測電壓波形相同，分壓比應與被測電壓頻率和幅值無關。(3)電壓分壓比與大氣條件（氣壓、氣溫、濕度）無關或基本無關。(4)電壓傳感器所消耗的電能應該不大。在一定的冷卻條件下，分壓器所耗散的電能所形成的溫升不應引起分壓比的改變。(5)電壓傳感器不應受外界電磁場的干擾，另一方面也不應對外界環境產生強烈的電磁干擾。
[3]
電壓傳感器選用原則
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語音
電壓測量中，應根據具體情況選擇合適的電壓傳感器，電壓傳感器選用的基本原則是：①被測電壓的量值范圍是選擇電壓傳感器的重要依據，因此要有足夠寬的電壓測量的范圍；②應有足夠寬的頻率范圍和足夠高的測量精度；③有足夠高的輸入阻抗，電壓傳感器的輸入電阻就是被測電路的額外負載，為了減小測量電路的接入對被測電路的影響，要求其具有較高的輸入阻抗；④應具有較高的抗干擾能力，被測電壓中往往含有一些噪聲干擾等不需要測量的成分。
[3]
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2021-05-120
閱讀42
參考資料
1.
黃玉平，李建明，朱成林編著．航天機電伺服系統：中國電力出版社，2013.11
2.
才家剛編著．電機試驗技術及設備手冊：機械工業出版社，2004年05月
3.
趙凱岐，吳紅星，倪風雷編革．傳感器技術及工程應用：中國電力出版社，2012.01
電壓傳感器是一種將被測交流電壓、直流電壓、脈沖電壓轉換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流并隔離輸出模擬信號或數字信號的裝置。
在電壓變送器的應用中，其控制精度和動態跟蹤性能起著關鍵的作用。通常情況下，諧波的檢測精度和動態響應速度是相互矛盾的，檢測精度的提高往往需要更多的歷史數據，這使得動態響應速度下降，此時，電流變送器會因為輸出諧波電流與理想的補償諧波電流之間的時延而難以獲得較好的濾波效果；而動態響應的提高，往往是數據信息的提取量不夠，影響到檢測精度。這使得APF往往發生諧波補償量過補或欠補，同樣影響到紹興中儀電子的電流變送器的性能。為了保證電流變送器的高精度和高實時性，高性能的傳感器起著關鍵的作用。本文為大家帶來了電壓傳感器的使用方法。
電壓傳感器怎么使用----電壓傳感器的安裝
（1）線路板插針焊接式安裝：既在線路板上做上線條，將傳感器焊接在線路板上，如同一個元件一樣。其優點是體積小﹑重量輕﹑節省空間﹑易于安裝。
（2）螺釘緊固型安裝：即將傳感器用螺釘擰在機箱底部或某個固定位置上，對外連接是各種不同的端子引線連接。其優點是牢固﹑方便﹑易于拆卸。
（3）導軌型安裝：既在傳感器的底部有標準的35mm寬的燕尾槽，可以卡式安裝。其優點是方便，具有通用性，適合于野外做業安裝。
電壓傳感器怎么使用----電壓傳感器的測量
（1）接觸式測量：既測量量須接入到傳感器中，傳感器是串入到原邊電路中的。電壓傳感器，部分小電流傳感器及5A變送器均為接觸式測量。
（2）非接觸式測量：既所要測量的量無須斷路，原邊電路穿過傳感器既可。
電壓傳感器怎么使用----電壓傳感器的應用計算
磁平衡式電壓傳感器應用時，是將被測電壓轉換成額定輸入電流進行測量的，需要加外接電阻。計算如下：
例：用KV50A/P電壓傳感器，測量220V電壓
因為：KV50A/P電壓傳感器的額定輸入電流Ii=10mA，原邊內阻Ri=430Ω現在要測量電壓Ui=220V，需要計算外接電阻R。
解：R=V/Ii-Ri=220V/10mA-430Ω=21.57KΩ
考慮到電阻的標準化，則選擇外接電阻R=22KΩ。
由此看來，在測量百伏以上的電壓時，工程上簡算的方法為R=Ui/Ii。但若考慮整個測量系統的精度誤差，則應按上述方法嚴格計算。
為了以上計算將電壓傳感器原、副邊內阻列于表下：
用戶根據使用情況，做些簡單的計算，以便傳感器處于最佳的工作狀態。
電壓傳感器怎么使用----電壓傳感器的選擇
1、指標要求
當要求交直流同時可測，測量精度要求較高，動態特性又要好時，這樣應選擇磁平衡式電流電壓傳感器。動態特性要求次之，并要求電壓輸出型的，經濟型的，可以選擇直測式電流傳感器。只測量交流，輸出為標準信號的，應選擇變送器類產品。
2、環境
當溫度有特殊需求時，比如軍級產品的溫度要求。在定貨時須特殊言明，單獨制作。在有強磁場干擾的環境中，使用傳感器要有屏蔽措施。
電壓傳感器怎么使用----使用霍爾傳感器的注意事項
（1）使用傳感器時，應先接通副邊電源，再接通原邊電流或電壓。
（2）測量電流時，最好用單根導線充滿模塊孔徑，以獲得最佳動態特性和靈敏度。
（3）測量電壓時，被測電壓應先串接限流電阻，在得到傳感器所規定的原邊電流后，再接入電壓傳感器原邊端子。
（4）模塊的最佳精度是在額定值下測得的。當被測電流低于額定值時，為了獲得較好的精度，原邊可以使用多匝，即：Ip*Np=額定安匝數。
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問的是電壓互感器嗎
使用電壓互感器時，次級不允許短路，否則因為漏阻抗很小，將產生很大的短路電流而燒毀。
電壓傳感器:
1. 概述
電壓傳感器相當于一個通用型電壓表。可以用于多種電學實驗中，測量直流或交流電的電壓。
2. 規格
A.量程:直流/交流電流輸入 0 ~±0.2V、0 ~±2V、0 ~±20V三個量程，用數字顯示時最多為4位有效數字。軟件控制量程轉換。
B.誤差:不大于滿量程值的3% 。
C.輸入電阻:>1MΩ。
D.帶寬:>1kHz
3. 工作原理
被測量的電壓通過傳感器中的分壓電路，取得與被測電壓成正比的0-5V的信號電壓，經過A/D轉換由采集器接受，然后采集器以適當的形式把結果傳送給計算機。
4. 使用
A.傳感器在使用時應與待測電路并聯。
B.先要用軟件調節零點。
C.測量正弦交流電壓時，計算機界面上的“數字表”顯示的是所測交流電壓的有效值。
D.對的測量脈動直流電壓時，不可以用“數字表”方式顯示。
樓主問的是電壓互感器嗎
使用電壓互感器時，次級不允許短路，否則因為漏阻抗很小，將產生很大的短路電流而燒毀。
電壓傳感器:
1. 概述
電壓傳感器相當于一個通用型電壓表。可以用于多種電學實驗中，測量直流或交流電的電壓。
2. 規格
A．量程：直流/交流電流輸入 0 ~±0.2V、0 ~±2V、0 ~±20V三個量程，用數字顯示時最多為4位有效數字。軟件控制量程轉換。
B.誤差：不大于滿量程值的3% 。
C.輸入電阻：>1MΩ。
D.帶寬：>1kHz
3. 工作原理
被測量的電壓通過傳感器中的分壓電路，取得與被測電壓成正比的0-5V的信號電壓，經過A/D轉換由采集器接受，然后采集器以適當的形式把結果傳送給計算機。
4. 使用
A.傳感器在使用時應與待測電路并聯。
B.先要用軟件調節零點。
C.測量正弦交流電壓時，計算機界面上的“數字表”顯示的是所測交流電壓的有效值。
D.對的測量脈動直流電壓時，不可以用“數字表”方式顯示。
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