什麼是壓電電聲脈衝（PEA）感測器？看完就懂了

壓電材料作為感知電力裝置放電、振動等訊號的關鍵材料，在電力裝置振動監測、放電檢測、探傷、溫度測量、電壓感測等領域得到廣泛應用。

壓電材料在壓電感測器件中的應用多種多樣，其核心在於機械能和電能的相互轉換：壓電材料受機械振動（壓電振動感測器）、聲波傳導（壓電聲感測器）等機械外力作用時晶格形變，引起極化狀態的變化，輸出感測電訊號，或透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（壓電電壓感測器）。

聲波訊號可較好地實現與電訊號的耦合與相互轉換。根據聲波激勵、傳播和耦合方式的不同，壓電聲感測器可分為壓電超聲感測器、聲表面波感測器、電聲脈衝感測器、壓力波感測器等。

1985年，T。Takada等提出電聲脈衝法（Pulsed Electro-Acoustic，PEA）用於測量空間電荷，其基本原理是在介質兩端電極上加上電脈衝擾動源，介質中的空間電荷和電極介面都受到這一脈衝電場力作用而相應地產生聲脈衝。利用壓電電聲脈衝感測器（通常為寬頻帶PVDF壓電薄膜感測器）接收與測量這些聲脈衝，即可獲得介質內部空間電荷分佈資訊。

壓電電聲脈衝感測器普遍用於電纜空間電荷測量，如圖1所示。研究人員在電纜半導電層外直接施加高壓脈衝，實現了在高壓長電纜中測量空間電荷。但由於目前超高壓電纜為保證良好遮蔽特性採用電導率較高的外遮蔽半導電材料，此方法信噪比往往較低。

在此基礎上，研究者採用將電纜外遮蔽層分段截斷和將電纜外遮蔽層電位懸空的方法，實現了全尺度電纜空間電荷測量。另有研究人員採用壓電電聲脈衝感測器測量材料中空間電荷量的變化，結合等溫鬆弛電流理論和離散陷阱分佈模型分析LDPE/SiO2、LDPE/ZnO、EP/SiO2等奈米複合材料中陷阱分佈資訊，為定量表徵聚合物絕緣材料載流子陷阱引數提供重要依據。

圖1 利用該種感測器測量電纜空間電荷

壓電電聲脈衝感測器的空間解析度和靈敏度主要取決於電脈衝形狀和壓電感測器自身效能，降低電脈衝寬度和壓電膜厚度可以有效提高感測系統解析度。L。Galloy等用2ns窄脈衝擾動源，以厚度1。5μm的P（VDF-TrFE）材料作為壓電感測器，獲得46μm的空間解析度；T。Maeno等採用5ns窄脈衝和4μm厚PVDF薄膜感測器，獲得約3μm的解析度；K。Kumaoka等用0。6ns超窄脈衝，以厚度1μm的PVDF壓電薄膜作為感測器，將解析度大幅提升至1。6μm。

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。