压电材料与器件在电气工程领域的应用

随着能源革命的不断深入和能源互联网的持续建设,对电网自动化、智能化、信息化的需求日益迫切,亟需先进的电力设备传感量测方法为电网多场景应用提供信息支撑,以保证智能电网在复杂工况下的安全可靠运行.压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料,在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用.该文总结了典型压电传感材料的发展概况,归纳了压电振动传感器、声传感器、电压传感器在电气工程中的实际应用.在此基础上,指出当前压电传感器仍存在精确度较低、稳定性差、环境适应性弱和误判率高等显著问题,需要从高性能材料快速开发、传感器拓扑设计、智能化补偿等方面发展新一代智能化压电传感器件.     

基于压电陶瓷逆压电效应的电压信号变送原理

提出了一种采用压电陶瓷材料和反射式光纤位移传感器的新型电压信号变送原理,利用压电陶瓷材料的逆压电效应获得被测电压动态位移,再由反射式光纤位移传感器测量逆压电效应所产生的动态位移量,实现电压参量的测量.通过对其线性度、准确度和温度特性的测试,结果表明,基于新型变送原理的电压互感器在实验室环境下的测量准确度可以达到0.1级,温度特性稳定.     

基于聚偏氟乙烯及射频识别技术的智能压电传感器设计

在分析智能压电材料聚偏氟乙烯的基础上,根据正压电效应的原理,结合现代微电流放大技术及智能射频识别芯片,设计了一款具有多功能的智能压电传感器,并对该传感器进行试验验证。结果表明,它能根据应变的大小输出变化的电压,具有智能化,无线和有线2种数字信号输出,体积小的特点,应用前景广泛。     

压电陶瓷发声器的检测技巧

压电陶瓷(或晶体)受到外来机械力时,其两面会产生电荷,电荷量与压力成正比,这种现象称为压电效应;反之,在其两面施加电压(外电场)就可产生形变(机械振动),称为逆压电效应。在实际应用中,这些统称为压电效应。压电陶瓷发声器件结构简单、能量转换效率高、功耗小、成本低,广泛用作压电扬声器、传声器、超声波延迟     

基于CCD解调的光纤光栅电压传感器

电能质量的好坏直接影响用电设备和电力系统能否正常运行,精确测量电压幅值和频率是分析电能质量的关键。提出了一种基于CCD解调的光纤光栅(FBG)电压传感器,利用压电陶瓷的逆压电效应改变粘贴在压电陶瓷上的FBG波长,采用CCD模块实时解调FBG波长的变化,提取被测电压的幅值和频率信息。理论分析了加载电压与光栅波长变化的关系,搭建了带温度补偿的传感系统,实验研究了传感器的静态、动态特性。实验结果表明,该传感器的线性拟合度为0.995,非线性误差为2.998%,电压灵敏度达到8.47 pm/V,能较好检测正弦电压的频率以及谐波信息,这为在复杂环境评估电能质量提供了参考。     

面向智能电网的传感器技术应用浅谈

传感器在电力系统的状态监测、电气量测量、安全防护及绿色环保等方面有着重要的作用。根据智能电网愿景中涉及的应用环节和信息监测需求,对智能电网可能应用的传感器技术进行了梳理,阐述这些传感器技术特点以及技术基本原理。然后从电力系统发电、输电、变电、配电和用电等应用场景出发,具体分析了智能电网的信息感知需求,各类传感器主要应用现状,以及智能电网下的各个环节传感器典型应用模式。根据电网中传感器技术应用现状,认为目前传感器技术应用中主要存在的问题是缺乏体系化、网络化、集成化、融合化、智能化等设计。最后对一些新型传感器技术在电力领域的应用前景进行了展望。     

无源传感器的研究与应用进展

无源传感器件将传感信号和供电电源合二为一,实现了传感器的自主能源供给,解决了传感器系统的供电难题。主要阐述了声表面波型和基于能源材料的无源传感器的基本原理、种类、性能特点及其在电网中应用的发展现状,并通过对声表面波型、压电型、热电型等国内外典型无源传感器性能参数的综合分析比较,提出我国今后高性能无源传感器的主要研究方向及其在未来智能电网建设中的应用前景。     

浅析压电传感器在车辆行驶称重中的应用

本文介绍了压电传感器的检测原理,压电传感技术与网络技术和视频技术相结合可以实现对车轴数、车速、轴距、行驶中车辆载重量的信息进行收集并加以分析,从而在智能交通系统中发挥重大作用。     

基于压电材料的变压器振动能量收集装置研究

变压器振动信号在线监测是检测变压器运行状态的重要手段,振动传感器的供能方式制约了振动检测方法的应用。为了实现振动传感器取能,文中设计了一种基于压电材料的变压器振动能量收集装置,利用收集的振动能量为振动传感器供电。首先,根据变压器振动特性,采用多模态取能方式,建立三悬臂式压电取能结构的输出电压与输出功率模型。其次,通过Comsol Multiphysics仿真分析能量收集装置输出功率和外加激励频率的关系。最后,搭建变压器振动能量收集实验平台,测得压电式能量收集装置的实际输出功率为11.547 μW。利用振动能量收集装置为振动传感器供电,可以保障在线监测设备的供电,减少外接电源对设备安全稳定运行的影响。     

能量回馈型超声波电动机的结构设计与特性分析

为解决极端封闭环境中微机器人检测精密驱动及其电子设备自供电问题,提出了一种具有振动能量采集功能的超声波电动机。电机定子由两组压电陶瓷和金属基体构成锥面夹心结构,一组压电陶瓷利用逆压电效应将电能转换成机械振动能,实现电机的精密驱动与定位;另一组压电陶瓷利用正压电效应将定子机械振动能采集转换成电能,实现对电子器件自供电。对电机定子结构和压电陶瓷极化分区模式进行了设计,利用有限元分析软件建立了电机定子结构有限元机电耦合模型,仿真分析了电机振动模态、谐响应、输入导纳特性、能量采集转换特性和阻抗匹配特性等。研究结果为实现基于压电转换的驱动和能量采集一体化机电产品提供理论基础。     

A study of flexible piezoelectric generators by sputtering ZnO thin film on PET substrate

Abstract

Flexible technology has recently received much attention in the field of flexible sensors, wearable electronic devices, flexible transparent displays, and energy harvesters. Zinc oxide (ZnO) thin film is the preferred material for use in flexible devices due to its environmental friendliness, high electrical performance and low synthesis temperature. In addition, ZnO possesses a non-centrosymmetric crystal structure, causing a piezoelectric effect in the material. This work presents the fabrication of flexible piezoelectric generators using the deposition of ZnO on a PET substrate using sputtering techniques. The fabricated flexible generators are capable of generating an output power of 14 µW through an optimal resistive load of 750 kΩ. An output voltage of 2.00 Vp and a current of 150 μA measured across a 750 kΩ resistor were subsequently obtained.     

压电式声能发电技术研究进展

声能发电是一种新型的发电技术,通过换能器将声能转换为电能。按换能器工作原理的不同,声能发电装置主要有电磁式和压电式两种类型。本文详细阐述了压电式声能发电技术的研究进展,重点总结了压电式发电技术中的压电材料、声波聚焦技术、声能采集技术、能量收集接口电路与储能技术的研究现状,并分析了不同技术的特点。最后,展望了声能发电技术的未来发展趋势。     

磁致伸缩、压电层状复合磁电传感器非线性动态有限元模型

基于磁致伸缩材料标准平方模型和压电材料线性本构关系,应用Hamilton变分原理建立了磁电传感器的磁-机-电耦合特性的动力学方程。建立的动力学方程考虑了磁致伸缩材料的磁滞现象和E效应的影响。应用所建立的模型求解了LT型磁致伸缩/压电磁电传感器的输出特性,与实验结果进行对比发现模型可较准确地预测磁电传感器在不同偏置磁场和交流驱动磁场激励下其输出电压随时间的变化关系。当偏置磁场为22.1kA/m,正弦交流驱动磁场为7.4kA/m、频率为100Hz时,计算结果和实验结果误差为0.9%。同时,应用该模型还可以确定磁电传感器的最大交流驱动磁场。     

Feasibility and Application Study of Optical Voltage/Current Sensors Using FBG

This paper concludes the case study work on the optical sensor, which is a new method for voltage and current measurement. Fiber Bragg gratings (FBG) have been developed and used for decades in the telecommunication industry. In recent years, FBG sensors have found wide applications in monitoring strain, temperature, voltage and current across all industries. As the process of constructing a robust smart grid, thousands of miles of optical-fibers have been deployed along the power transmission lines for the purpose of power production communication. This paper focuses on using the power optical fiber as voltage/current sensors instead of those copper wired traditional current transformers. By using piezoelectric layers, the optical sensor is able to transform voltage/current magnitude into optical signal, as well as transmit the signal through the optical fiber. The application of using optical fiber will significantly reduce the cost of deploying traditional current transformers all around the power grid. Moreover, the optical sensor is more stable, more accurate and faster, with such characteristics, the smart grid monitoring system could be much better. The application of combining the optical composite low-voltage cable (OPLC) and the optical current sensor in the distribution network for smart distribution monitoring has been analyzed.     

变压器铁心接地电流在线监测装置现场检测浅析

针对变压器铁心接地电流在线监测装置很少开展现场检测工作,对四川某智能变电站的两套铁心接地电流在线监测装置进行了现场检测。检测发现这两台装置基本不能满足变压器铁心多点接地故障的监测、分析和判断的要求。鉴于检测结果,建议今后厂家提高变压器铁心接地电流在线监测装置的产品质量,用户加强装置的入网检测工作。     

智能传感器及其应用探讨

本文主要介绍了智能传感器技术在不同领域的基本组成结构、标准、应用和一些最新发展.与传感器相比,智能传感器可以与连接在传感网络中的专门用途计算设备相互通信.通过使用无线传感器网络,可以对关键设备进行监视和远程管理,从而产生更好的系统性能,获得更好的决策能力,进行更好的控制.在各个领域都有智能传感器的应用,例如供应链物流,...     

智能电网技术体系探讨

电网智能化是促进可再生能源发展、实现节能减排的重要手段。随着电力电子、IT、通信等技术的不断发展,智能电网将成为电力工业的重要发展方向。文章首先论证发展智能电网的必要性;介绍智能电网的性能要求,包括：自治和自愈能力、防御能力、电网兼容性、高效运营和管理、优质和友好性、电力交易的方便性。指出智能电网的实现需要加强基础技术和功能实现2方面的研发：基础技术主要包括电力设备、量测和通信设备、信息管理系统、决策与控制理论4个方面;功能实现则主要包括智能控制中心、智能变电站、智能线路、智能保护系统、智能需求侧管理5个方面。最后从电网性能、经济效益、社会效益3方面简要论述智能电网的绩效评价体系。上述问题的解决将有助于对智能电网的深入研究和应用。     

悬臂梁式压电振动能量俘获装置输出功率分析与建模

文章通过理论分析,从悬臂梁式压电振动能量俘获装置常见结构的等效电路出发,结合俘能装置的结构参数以及电气参数等特性,总结推导出了该装置输出电压的近似公式,以及低阻值负载情况下恒流源的等效输出模型,也由此推出了多装置并联拓扑结构的输出电压公式。并基于该理论分析,利用Matlab对悬臂梁式压电振动能量俘获装置进行仿真,仿真结果验证了这些近似公式的正确性。     

A shoe-equipped piezoelectric transducer system based on PVDF film

Many piezoelectric transducers mounted in shoes have been conducted to harvest energy from walking. However, the energy harvested is influenced by some factors, such as the structure of piezoelectric transducer, piezoelectric material and so forth. Taking into account these factors, a wide-band energy harvester-shoe equipped piezoelectric transducer with cantilever beam structure based on polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric film is designed and examined in this paper. The piezoelectric transducer makes little difference in the sensation with the device mounted in the shoes when walking. The harvester can provide a maximum output power of 0.48 mW at the load resistance of 300 kΩ. This study demonstrates that it is feasible to scavenge energy from human motion by piezoelectric harvester to power wearable sensors, such as pedometer, respiration and pulse monitoring system and so on.