阅读说明：本技术 一种基于压电效应的声表面波电场传感器件 (Surface acoustic wave electric field sensing device based on piezoelectric effect ) 是由 何金良 韩志飞 胡军 张波 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：一种基于压电效应的声表面波电场传感器件,包括压电材料,压电材料一端的激振区设置激振电极,另一端的拾振区设置拾振电极,压电材料的激振区和拾振区之间的区域为传播区；激振电极的正极接激励源且其负极接地；拾振电极的正极与信号处理电路连接且其负极接地；激振电极和拾振电极均由两组叉指电极构成；当将传感器置于被测量电场中时,压电材料发生形变,从而导致声表面波的传播速度或频率发生变化,导致拾振电极接收到的信号发生变化,信号处理电路对该信号进行处理,即可以实现对电场的测量。本发明的器件具有宽电场测量范围和高灵敏度,体积小、成本低、制备简单,适用于电网及设备内部电场测量。(A surface acoustic wave electric field sensing device based on piezoelectric effect comprises a piezoelectric material, wherein an excitation area at one end of the piezoelectric material is provided with an excitation electrode, a vibration pickup area at the other end of the piezoelectric material is provided with a vibration pickup electrode, and an area between the excitation area and the vibration pickup area of the piezoelectric material is a propagation area; the positive pole of the exciting electrode is connected with an exciting source, and the negative pole of the exciting electrode is grounded; the positive pole of the vibration pickup electrode is connected with the signal processing circuit, and the negative pole of the vibration pickup electrode is grounded; the excitation electrode and the vibration pickup electrode are both composed of two groups of interdigital electrodes; when the sensor is placed in an electric field to be measured, the piezoelectric material deforms, so that the propagation speed or frequency of surface acoustic waves changes, signals received by the vibration pickup electrode change, and the signals are processed by the signal processing circuit, so that the electric field can be measured. The device has the advantages of wide electric field measurement range, high sensitivity, small volume, low cost and simple preparation, and is suitable for electric field measurement in power grids and equipment.)

一种基于压电效应的声表面波电场传感器件

技术领域

本发明涉及电场测量领域，特别是一种基于压电效应的声表面波电场传感器件。

背景技术

电网中信息的实时测量对于系统运行状态监测、故障预测、故障诊断以及设备状态监测具有重要意义。在电网中，电压信号的意义十分重大。电压的指纹特征蕴含着大量信息，通过对电压的测量，可以实现对电网稳态信息的监测和暂态信号的提取，从而为电网控制端提供操作依据，提升电网的安全性和可靠性。传统电压测量手段利用互感器进行测量，这种测量设备体积大，维护成本高，只能用于关键节点的电压测量，无法实现大范围广域监测。

利用电场传感器对电压信号进行反演是一种新的电压测量手段。一方面，电场传感器体积小、成本低，能够进行大范围布置，另一方面，利用电场传感器可以进行非接触式测量，不需要考虑绝缘成本，同时不会影响电能质量。

常见的电场传感器包括基于电光效应的电场传感器和MEMS电场传感器。其中，基于电光效应的电场传感器应用较为成熟，灵敏度高，带宽宽。但这类传感器受限于电光晶体，温度稳定性较差，且设备昂贵。MEMS电场传感器利用静电感应原理对电场进行测量，传感器体积小、成本低，但这种测量方式频率响应较差，且功耗较高。因此，需要设计一种体积小、成本低，同时测量范围广、频带宽的电场传感器。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于压电效应的声表面波电场传感器件，通过测量声表面波的频率或速度的变化，实现测量电场的目的。

一种基于压电效应的声表面波电场传感器件。包括压电材料，所述压电材料一端的激振区设置激振电极，另一端的拾振区设置拾振电极，所述压电材料的激振区和拾振区之间的区域为传播区；所述激振电极的正极接激励源且其负极接地；所述拾振电极的正极与信号处理电路连接且其负极接地；所述激振电极和拾振电极均由两组叉指电极构成；当将所述传感器置于被测量电场中时，所述压电材料发生形变，从而导致声表面波的传播速度或频率发生变化，导致所述拾振电极接收到的信号发生变化，所述信号处理电路对该信号进行处理，即可以实现对电场的测量。

优选地，压电材料为长条状。

优选地，压电材料具有较大的机电耦合系数，较小的温度延迟系数和较低的传播损耗。

优选地，压电材料为压电晶体。

优选地，激励源的激励频率为40MHz-1GHz。

优选地，信号处理电路由振荡电路、混频电路、低通滤波放大电路、频率测量电路及温度补偿电路组成。

优选地，压电材料两端附着有吸声材料，吸收传播至压电材料末端的声表面波，避免反射波的干扰。

优选地，吸声材料由阻尼材料和环氧树脂混合而成。

优选地，压电材料厚度为100um-1mm，宽度为1mm-20mm，长度为10mm-100mm。

优选地，传播区的长度长于所述激振区和拾振区，通过调节所述传播区的长度对传感器灵敏度进行调节。

本发明的有益效果是：

利用压电材料的逆压电效应和声表面波的传播特性设计的传感器实现对电场的测量，结构简单，易于加工。声表面波由于波长短，因此在相同频段上，声表面波传感器尺寸远小于电磁波器件，实现传感器微型化。由于声表面波传感器将能量集中在介质表面，因此对外界待测量物的变化十分敏感，声表面波传感器精度高、灵敏度高。由于压电材料本身温度稳定性高、特征频率高，因此这种器件温度稳定性高，频带宽，适用于电网中多种应用场景。

附图说明

图1是本发明的一种基于压电效应的声表面波电场传感器件的结构示意图；

图2是本发明的一种基于压电效应的声表面波电场传感器件的工作原理示意图。

图中，1、压电材料；2、激振电极；3、拾振电极；4、吸声材料；5、信号处理电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

声表面波是一种在介质表面传播的弹性波，可以通过叉指电极在压电材料上产生。根据声表面波的传播特性，本发明提出一种基于压电效应的声表面波电场传感器件，如图1所示。包括压电材料1，压电材料1两端分别设置激振电极2和拾振电极3，激振电极2和拾振电极3均由两组叉指电极构成，每组叉指电极包含一个接地电极，拾振电极3后端接信号处理电路5。

如图2所示，压电材料1一般为条状，分为三个区域：激振区、传播区、拾振区。传播区位于激振区和拾振区之间。传播区长度一般长于激振区和拾振区，可以通过调节传播区的长度对传感器灵敏度进行调节。激振区和拾振区长度取决于叉指电极大小和声表面波参数。

压电材料1一般选用压电晶体，如石英等作为材料。压电材料尺寸会影响声表面波的传播特性，根据需求不同，可以选用不同尺寸的压电材料。压电材料厚度一般在100um-1mm之间，宽度在1mm-20mm之间，长度在10mm-100mm范围内。厚度越薄、宽度越小、长度越长，传感器响应越大，但厚度过厚、宽度过大、长度过长会导致传感器机械强度下降和制备难度增加。压电材料需要具有较大的机电耦合系数(越大越好)，较小的温度延迟系数(越小越好)和较低的传播损耗(越小越好)，以保证声表面波的传播效率。

激振电极2位于压电材料1的激振区。激振电极2的正极(加压电极)，可直接与信号源相连，也可以通过天线接收外界信号进行激振。激振电极2的负极接地。当在激振电极2上施加一定频率交流信号时，在叉指电极间会产生电场，通过逆压电效应使压电材料产生形变，并转化为沿压电材料表面传播的声表面波。声表面波频率与施加的激励频率相等，一般取40MHz-1GHz。

拾振电极3位于压电材料1的拾振区。拾振电极3的正极(信号电极)与信号处理电路5相连，负极接地。

压电材料1两端部可附着吸声材料4，用于吸收传播至压电材料1末端的声表面波，减小反射波的干扰。吸声材料4由阻尼材料和环氧树脂混合得到。

信号处理电路5用于处理拾振电极3拾取的信号，由振荡电路、混频电路、低通滤波放大电路、频率测量电路及温度补偿电路组成。

当在激振电极2的叉指电极上施加正弦信号时，正弦信号在压电材料1上激励出声表面波，将电信号转化为声信号。当声表面波沿介质传递到压电材料1另一端设置的用于拾振的拾振电极3时(也为叉指电极)，拾振电极3将声表面波转化为电信号。

压电材料1在电场作用下会发生形变。当将本发明的传感器置于电场中时，压电材料1发生形变，从而导致声表面波的传播速度或频率发生变化，因此拾振电极3接收到的信号会发生变化。通过后端电路对该信号进行处理，就可以实现对电场的测量。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。