什么是壓電超聲傳感器？看完就懂了

，輸出傳感電信號，或通過對壓電材料受電場作用產(chǎn)生的形變進行測量來反映電場大?。▔弘婋妷簜鞲衅鳎?。

聲波信號可較好地實現(xiàn)與電信號的耦合與相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)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。

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，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。

根據(jù)國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q/GDW 11061—2017 局部放電超聲波檢測儀技術(shù)規(guī)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。

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

當(dāng)電力設(shè)備內(nèi)部絕緣發(fā)生局部放電時，會相應(yīng)產(chǎn)生超聲波信號，超聲波信號沿絕緣介質(zhì)和金屬導(dǎo)體傳導(dǎo)至外殼，并通過介質(zhì)向外界傳播。通過在電力設(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，進而判斷電力設(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(xiàn)對產(chǎn)生局部放電的缺陷類型的判斷，檢測靈敏度達(dá)到10pC。

另針對電力變壓器局部放電的精準(zhǔn)定位問題，李繼勝等基于超聲波相控陣?yán)碚摚兄屏?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驗對傳感器陣元的性能進行了實測，結(jié)果表明，該傳感器能夠?qū)ψ儔浩骶植糠烹姰a(chǎn)生的超聲波信號進行靈敏接收和定位。但具體應(yīng)用時，仍需對超聲波傳播時會產(chǎn)生的反射、折射等復(fù)雜問題開展進一步研究。

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，其原理為通過檢測超聲導(dǎo)波在試件中的傳播特性，實現(xiàn)對各種材料試件的宏觀缺陷、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能變化進行檢測和表征，具有靈敏度高、衰減小、可定位的優(yōu)點，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及定位方法。檢測裝置如圖3a所示，包括超聲導(dǎo)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(chǎn)生激勵導(dǎo)波信號的發(fā)射型傳感器，6個進行導(dǎo)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3b、圖3c），實現(xiàn)對絕緣子內(nèi)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(yù)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(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損檢測。通過對拉線棒中超聲導(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應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)了對拉線棒缺陷的準(zhǔn)確識別。

本文編自2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報》，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。