摘要：高压铁塔作为输电线路的支撑部件，能够承受输电线路的重量和风力等外力，确保电力系统安全可靠运行，但铁塔在遭受强风、地震等自然灾害或者由于结构老化、材料疲劳等原因，可能发生倒塌，造成人员伤亡和财产损失。针对这一问题，从压电式传感器的压电效应入手，对压电式传感器机理、微观特性及仿真分析等方面进行研究。首先，分析了传感器的测量原理；然后，从压电元件在压力载荷下的应变、压电材料的正负电荷中心偏移、压电元件表面的电荷积累3个方面剖析了压电元件的微观特性；接着，基于COMSOL机电－耦合多物理场进行仿真分析，可直观地观察到不同模态下的应变和电场分布云图，定量地表述了应变和电场之间的关系；最后，从铁塔安全监管的视角，设计了一款基于压电式传感器的安全预警系统，可实现对高压铁塔的全天候实时监测。

　　关键词：压电式传感器；压电效应；微观特性；机－电耦合；安全预警

　　0引言

　　在以科技自立自强推动高质量发展的今天，各个领域之间相互渗透融合，极大促进了机电一体化的进步与创新，使其在工程机械方面的应用更为广泛，机电一体化系统可以提高生产效率和作业精度，降低劳动强度，促进工业经济蓬勃发展。

　　传感器作为机电一体化的核心部件，主要用于信号的采集、处理和传输，通过对各种信号进行检测，精准捕捉外界的微小变化，对机电一体化的可靠运行具有至关重要的作用。

　　压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。该传感器的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式，可分为膜片式和活塞式两类，具有体积小、动态特性好、耐高温等优点，可用于医疗、航空航天、消费电子和核仪器等多个领域，防止因冲击造成系统的间歇性故障。

　　铁塔预警系统是一种用于监测和预测铁塔结构安全的技术系统。在国内外，铁塔预警系统的研究和应用已经取得了一定的进展，且随着科技的不断进步和应用需求的增加，铁塔预警系统的研究和应用前景仍然十分广阔。本文基于正压电效应，剖析了预警系统的核心部件——传感器的测量原理和压电材料的微观特性，得出如下结论：压电材料受力后表面产生电荷，形成电场。为了验证这一结论的合理性，本文采用了机－电耦合多物理场进行有限元仿真分析，发现仿真结果与理论分析结果相吻合，该方法为高压铁塔预警系统的研究提供了一定的参考价值。

　　1传感器测量原理

　　1.1传感器的组成

　　压电式传感器将外力造成的形变量转换成电信号输出，该过程是将机械能转化为电能，压电式传感器组成原理如图1所示。由图可知，该传感器由5部分组成，包括信号的采集、处理、传输及输出,以此实现对外部压力或应变的检测和测量。

　　1.2传感器的原理

　　压电式传感器基于正压电效应，即压力造成材料发生形变而产生电极化的现象，压力传感器原理图如图2所示。由图可知，传感器上下表面在应力载荷的作用下发生形变，造成传感器内部正负电荷发生相对位移，在传感器前后两个表面上产生符号相反的电荷，当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，传感器受力所产生的电荷量，与所受压力的大小成正比，该压力与其产生的电荷量之间的关系如式(1)所示:

　　qx=dx fx(1)

　　式中：qx为传感器上下表面产生的电荷量，C;dx为x轴方向受力的压电系数，即传感器承受单位力作用时所产生的电荷量；fx为施加在传感器上下表面的作用力，N。

　　为了具体的分析传感器的局部受力情况，本文选取单元压电晶体材料为研究对象，用正六面体表示，则其在X轴、Y轴和Z轴方向的6个平面的电荷密度如式(2)所示：

　　δ1=d11σ1+d12σ2+d13σ3+d14τ23+d15τ31+d16τ12

　　δ2=d21σ1+d22σ2+d23σ3+d24τ23+d25τ31+d26τ12(2)

　　δ3=d31σ1+d32σ2+d33σ3+d34τ33+d35τ31+d36τ12

　　式中：δ1、δ2、δ3为Ax、Ay、Az平面上的电荷密度，C/m2;σ1、σ2、σ3为作用在Ax、A y、A z平面上的主应力，Pa;τ12、τ23、τ31为作用在XY、YZ、ZX平面上的切应力，N/m2;dij为压电常数。

　　在压电式传感器中，电荷的大小取决于形变的程度，压电材料的形变量越大所产生的电荷量越多，当压电材料发生变形时，其晶格结构会发生畸变，导致正负电荷的分离，这种电荷分离产生的电势差可以通过两个电极连接起来，形成一个电荷输出信号，电荷的极性取决于施加力的方向，与压电材料的非对称轴方向有关，当外力作用方向与压电材料的非对称轴方向一致时，晶格结构的畸变会导致正负电荷的分离，产生一个电势差，从而形成一个电荷输出信号。这时，压电材料的电荷极性与外力作用方向相同，反之亦然。公式如下：

　　式中：A为晶体面积，m2;t为晶体厚度，m;E为杨氏模量，N/m2;F为施加的力，N;d为电压的单位灵敏度，g=d/σrσ0;P为单位面积的压力，P=F/A,N/m2;E0为电场强度，V/m。

　　2传感器的测量电路

　　压电式传感器的测量电路如图3所示，该测量电路主要包括压电元件、屏蔽线和放大器等3部分，当压电元件受到应力的作用时，在受力表面发生形变产生电荷，此电荷经该测量电路的电荷放大器和测量电路放大，以及变换阻抗后就以电量的输出，该电量正比于压电元件所受外力，该电路具有高阻抗输入，低阻抗输出的特点。

　　将压电元件的两个金属面装上金属电极之后，就构成了压电元件，由于压电晶体在力的作用下会产生电荷，所以压电元件可以等效为一个与电容并联的电荷源或一个与电容串联的电压源，等效电路图如图4所示。

　　压电元件只要在交变的力的作用下才能持续不断的产生电荷，因此需要供给测量回路一定的电流，因此不适用于静态测量，电容值的公式如式(4)所示：

　　Ca=εRε0(4)

　　式中：εR为相对介电常数；ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85×10-12 C2/(N·m2);A为电容极板的面积，m2;δ为两极板间的距离，m。

　　3传感器的微观特性研究

　　本文研究的压电式传感器是由锆钛酸铅压电陶瓷制成的。该材料具有良好的压电性能，极化后其压电性能急剧增强。在极化前，材料的自由电子无序排列，极化后，自由电子沿极化方向产生剩余极化，形成各向异性的多晶体。在直流电压的作用下，材料发生极化现象，电磁场使得材料沿纵向伸长并排列整体。即使外加电场去除后，材料的剩余极化仍然存在，使得材料呈现出压电性，即在机械变形的情况下会在两端面产生电场。压电材料的极化过程如图5所示。

　　该陶瓷材料在未受压力没发生变形的情况下，正负电荷中心重合，晶体表面不带电，整体呈现电中性，但当晶体收到外力的作用，力足够大造成晶体发生形变，正负电荷中心偏移，晶体的总电矩阵不等于零，将会在与外力方向垂直的平面上出现正负电荷的积累，从而在与垂直于受力方向的晶体表面产生电压，如图6所示。

　　4仿真分析与应用
       4.1仿真分析

　　本文基于机电耦合效应，采用COMSOL机－电耦合物理场进行仿真分析，本文使用的耦合本构方程应力－电荷形式如式(5)所示，应变－电荷形式如式(6)所示。

　　T=c E S-e T E

　　D=eS+εS E

　　S=c E T+dT E

　　D=dT+εT E

　　式中：T为应力，Pa;S为应变，mm;E为电场，V/m;D为电位移，C/m2;c E为弹性矩阵；e为耦合矩阵；εS为节点矩阵。

　　本文使用Solidworks软件建立了压电式传感器的三维模型，并将其导入COMSOL软件进行参数设置和网格划分。采用了扫掠网格划分方法，先划分源面再延伸到目标面，通过差值法建立并投射到侧面，同时复制源面的网格到目标面。通过该方法生成高质量的六面体网格，能够精确表征几何与解，并在求解过程中节省计算资源。这种网格划分方法具有精度高、自由度小的特点。

　　本文在机－电耦合多物理场中设置该模型的各项参数，将传感器压电元件的材料设置为LZP,在结构力学模块中施加边界载荷，使用频域求解器进行求解，分析不同振动模态下的应变情况和电场分布，压电材料在振动时可以存在不同的振动模态，具体的振动模态取决于压电材料的几何形状和边界条件，本文设置的是在一端固定的情况下，在压电材料表面施加载荷，所发生的弯曲振动如图7所示。由图可知，不同的振动模态的应变程度不同，产生的电场分布也不尽相同，随着应变程度的增加，电场逐步递增，在应变程度最大的地方，电场值最大，压电材料在振动时可以存在不同的振动模态，具体的振动模态取决于压电材料的几何形状和边界条件。

　　本文通过云图表述应变和电场分布情况较为直观，可以定性地分析应变程度对压电材料电场分布的影响，但很难精准地阐述应变量和电场之间的对应关系。本文在定性表述的基础上通过折线图定量分析电场值随应变程度的变化情况，如图8所示。由图可知，在一定的区间内，电场和应变量之间呈现正相关。

　　综上所述，本文以压电传感器为研究对象，阐述了传感器在机电一体化系统中发挥着至关用，基于此，分析了传感器的测量原理，剖析了传感器的核心元件—压电材料的微观特性，为了验证上述内容的合理性，本文又采用了多物理场耦合仿真的方法进行验证，仿真结果与理论分析完全吻合。

　　4.2应用效果分析

　　目前，压电传感器主要应用于工业自动化领域。在电力系统方面，传感器的应用较为广泛，但在高压铁塔非安全区域预警方面的应用较少。高压铁塔是高压输电线路的重要组成部分，人员或车辆误入带电区域可能导致触电和伤亡事故。为了防止这种情况发生，未来的研究应该侧重于铁塔安全监管方面的技术研究。

　　一种可能的解决方案是在高压铁塔周围的浅表层埋入压电电缆。当人员跨入带电区域时，踩踏压电电缆会使其发生形变，产生微弱的电信号。通过放大电路将信号放大，并控制由蜂鸣器和LED灯组成的声光报警系统，发出报警声和闪烁的光。这种铁塔安全预警系统可以全天候实时监测铁塔，具有功能完备、安装方便和运维成本低的优点。它可以有效防止夜间行人或车辆误入非安全区域，减少安全事故发生的概率。

　　5结束语

　　高压铁塔的预警系统如图9所示。本文在分析了传感器的测量原理的基础上，通过深入研究压电材料的极化过程和压电性，详细剖析了晶体在受到外力变形时，正负电荷中心偏移并产生电压的具体过程，即压电材料具有良好的压电特性，压电元件受到压力变形后，在垂直于受力方向的表面上形成电荷积累，形成电场。基于此，本文为了研究不同振动模态下压电材料的应变特性和电场分布之间的关系进行了建模仿真，仿真结果表明，压电材料在外力的作用下发生形变会产生电场；电场的大小与形变量成正相关；不同振动模态下的应变程度和电场分布不同，电场值随着应变量的增长递增。所以，当人员误入带电区时，压电电缆发生形变，产生电信号，报警系统进行报警，确保了人员的安全，本文对压电式传感器的后续研究具有一定的参考价值。

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