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1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000字左右的文献综述： 文 献 综 述
输电电压等级的不断提高，给高电压技术提出了许多有待进一步研究的问题[1]。为了保证电力系统安全经济的运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护[2]。通过传感器技术实现智能、低成本监控，对于维持智能电网的安全性，可靠性，效率和正常运行十分重要[3]。然而，实现宽量程、宽频带的电压电流实时感知，同时兼顾宽温湿区环境工作的稳定性、安全兼容性、与设备融合性等所有指标的传感方法目前还处于缺失的状态[4]。 传统的电压传感器包括静电电压表、电磁式互感器、电阻电容分压式传感器、霍尔电压传感器等。但随着电力系统电网电压不断提高，传统的电压传感器暴露出一系列严重缺点。制作高压仪表，直接在高压线路上测量电压，是不可能也绝对不允许的[5]。同时电压互感器容易出现铁磁谐振等现象，设备易损坏。电流互感器线性度低，在短路时容易饱和，静态和动态准确范围小[2]。电阻式电压互感器相较电磁式电压互感器测量准确度高、线性范围大、频带宽、体积小，但是其工作原理导致该类型传感器测量误差受分布电容和温度变化影响较大[6]。另外传统的电压传感器还有绝缘结构复杂、体积大、造价高等缺点[2]。近些年这类传感器不断被优化[7]，同时也诞生了许多新型传感器去解决传统电压传感器的问题。 为了适应现代科学技术发展的需要，各种新老器件都对材料提出更高的要求，进一步促进了人们研究和探索性能更优良的新型材料[8]。已经发现的压电材料就是一种可以将不同物理量进行转化的材料。压电材料具有诸多优点，如压电陶瓷便具有压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，可通过配合和掺杂人工控制成分来达到所要求的性能，成本低廉，抗电磁干扰等优点[9]，受到了广泛的应用。压电材料的逆压电效应可以将对材料施加的电压转化为材料本身的形变。利用这种效应，便可以制作出与前文类型不同的电压传感器，并且利用压电材料的优良性能。 在石英谐振器上添加敏感材料，将敏感材料与被测参量之间的相互作用转换为谐振器的等效参数变化，几乎可以实现对各种物理化学量的测量[10]。石英DETF作为敏感元件具有特定的精度和高品质因数。利用石英DETF可制成如加速度传感器[11]和力传感器等[12]。 由此，课题组突破传统高电压传感器的设计理念，结合谐振式传感器的制作思路和压电材料的优良性能，从传感原理、传感材料和传感器结构方面进行创新研究，尝试设计一种新型差分谐振式高电压传感器，为电网建设和设备迭代贡献力量。 然而，在控制系统中，滞后会在开环和闭环中引起不稳定并造成追踪误差。滞后的存在对执行器的结果精度造成影响，可以通过建立滞后模型来得到滞后补偿[13]。
目前对各类旧式传感器的改进层出不穷，但基本很难克服传统的电压传感器的原理缺陷，因此对新型传感器的开发尤为重要。
图2.1 普克尔效应原理[16] 2.1基于电光效应的传感器 新型传感器得到了广泛的发展，如利用Pockels effect和Kerr effect设计的电光效应电压传感器[14][15]。利用电光效应设计的电压传感器原理为（如图2.1），外加电场引起电光晶体光学各向异性，对入射光发生双折射，两束折射光的相位差与施加的外加电场有相应的关系。相位差与外加电场一次方成正比的关系为普克尔效应，与外加电场的二次方成正比的为克尔效应[17]。利用检偏器将外加电压对光相位差的调制转变为对光强度的调制[18]，测量出两束折射光的光强即可得到外加电压的强度。这种传感器如今在高压变电站中得到广泛的应用，但普克尔效应对温度和压力不稳定，需要复杂的补偿系统，并且用于获得和维护的成本高[19]。 2.2基于谐振原理的传感器 另外Nobunaga[20][21]等人研究了非接触式谐振式电压传感器以实现与电网主电路的电气隔离（如图2.2.1）。测量电压引起静电力，改变了谐振式传感器的谐振频率，通过测量谐振频率的变化可以得到测量的电压值。该传感器可以测量约400V的电压。但是这个传感器测得的频率和电压不是线性关系（如图2.2.2），因此使用受到限制。
图2.2.1非接触式谐振式电压传感器[20] 图2.2.2测量电压与频率变化的关系[20] 图2.3.1（a）压电-应变计电压传感器类型a（b）压电-应变计电压传感器类型b[22] 2.3基于压电陶瓷的传感器 与本次毕业设计方向类似，在1976年，KAWAMURA[22]尝试使用压电陶瓷材料 作为高电压敏感元件（如图2.3.1），并结合应变计测量高电压，测量最高值可以达到26000V并且误差在plusmn;2%内。 另外还有基于压电陶瓷和布拉格光栅的光学高电压传感器（如图2.3.2）[19]。光学电压传感器有很多优点，线性度高，动态范围大，重量轻，尺寸小，安全性高，精度高等。该传感以PZT作为压电传感器，FBG作为应变传感器，最高能测量15kV的电压，测量0~3000V的直流电压和0~5000V的50Hz交流电压具有良好的线性。并且误差分别在1%和0.44%
图2.3.2基于压电陶瓷和布拉格光栅的光学高电压传感器[19] 此外，Fen[23]等人，利用压电效应和压阻效应耦合设计了一种MEMS传感器用于测量宽带宽和大动态范围的电场。如图2.3.3所示，压电晶体和压阻薄膜连接，当沿Z轴外加电场在压电晶体上，压电晶体形变引起相连接的半导体膜也发生形变。在半导体膜上的电桥电阻经过压阻效应产生差分信号输出得以测量电压。这种传感器在测直流时能有100kHz的带宽和高达15.7kV/cm的幅度，并且这种非接触的传感器保证了与电网一次端的绝缘。
图2.3.3压电压阻式电压传感器[23] 2.4已开发压电传感器 石英谐振器具有很高的Q值，并且石英谐振式传感器的输出采用频率信号的形式，不用A/D转换就可以输入计算机系统进行测量和控制。这种传感器的功耗小，抗干扰强，稳定性好[10]。
图2.4.1基于DETF的谐振式磁场传感器[24] 运用类似原理，课题组设计了一种具有高品质因数的由石英晶体谐振器和磁致伸缩应力耦合的磁场传感器（如图2.4.1）[24]。这种传感器将磁致伸缩材料作为一次敏感元件，通过磁致伸缩材料在磁场作用下产生形变，影响二级石英音叉谐振器的频率。通过测出频率的变化即可以得出测量的磁场强度。 触类旁通，课题组随后又设计了一种同样基于石英音叉并利用压电陶瓷作为一次敏感元件的高电压传感器[25]。这种传感器使用压电陶瓷作为高电压一次敏感元件，压电陶瓷设计成双晶片结构，有效抑制了温度漂移，保证传感器的测量精确度，扩展了传感器的使用范围。 2.4.1复合石英晶体谐振式电压传感器 课题组研究的复合石英谐振式电压传感器分为并联复合结构（如图2.4.2）和串联复合结构（如图2.4.3）。两种结构的传感器测试后均有抗电磁干扰能力强，量程大、灵敏度高、线性度高、Q值高的优点。 并联结构的电压传感器压电陶瓷和石英音叉通过垫片连接，可以传递形变。在PZT-8的上下表面施加电压后，逆压电效应产生的形变传递至DETF，引起DETF谐振器谐振频率发生变化，通过测试系统测出即可得到测量电压。串联结构的电压传感器原理与并联类似，只不过压电陶瓷片的形变使DETF谐振受到挤压或拉伸[18]。
图2.4.2 并联复合结构传感器[18] 图2.4.3串联复合结构传感器[18] 2.4.2压电双晶片复合石英晶体差分谐振式电压传感器 课题组在复合石英晶体谐振式电压传感器的基础上设计了一种差分谐振式电压传感器（如图2.4.4）。差分结构由上下两个音叉组成，电压在压电陶瓷上产生的应力能引起两个音叉的谐振频率分别增大和减小，测量后通过差分处理，能有效抑制温度漂移并且倍增传感器的灵敏度[18]，提高传感器的工作性能和应用范围。
图2.4.4压电双晶片复合石英晶体差分谐振式电压传感器[18] 2.5滞后现象 课题组制作的压电陶瓷和石英晶体复合的谐振式电压传感器时，由于使用的材料特性，谐振式电压传感器在电压上升阶段与下降阶段测得的谐振频率变化存在着明显的滞后（如图2.5），使得传感器的应用受到了限制。 需要使用LabVIEW对相应的滞后现象进行补偿[26]，以使传感器的应用范围更加广泛。
图2.5并联复合结构谐振式电压传感器谐振频率随外加电压变化曲线[18] 2．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 研究问题： 需要对一次敏感元件压电陶瓷材料的高电压制动性能进行研究，设计优化结构的高电压一次敏感单元，并对压电敏感材料的滞后特性进行补偿。优化课题组已设计的传感器测量性能，并扩展其应用范围的。具体为： （1）完成现有的高电压传感器的原理、方法文献调研； （2）掌握实验室已开发复合石英晶体谐振式电压传感器的工作原理、结构及性能； （3）完成压电材料性能、压电性能参数的意义以及电致伸缩位移的表征方法研究； （4）搭建压电陶瓷在不同工况下的电致伸缩性能测试装置，进行电压-位移性能测试； （5）研究压电材料位移-电压曲线滞后特性补偿方法，编程实现非线性滞后补偿。 研究手段： 通过阅读课题组论文，与导师、博士沟通，网课与书籍结合详细了解相关领域所需知识。设计、借鉴与创新，尝试设计新的敏感结构。对敏感结构实验研究其材料性能。利用测试技术，应变片测量法等测量电压-位移的性能。学习仿真软件使用，对设计结构进行校核。研究压电材料位移-电压曲线滞后原因和一般常用滞后补偿方法。类比仿效其他传感器的滞后补偿方法，尝试使用LabVIEW编程实现传感器滞后补偿。 具体手段有： （1）电压-位移性能研究——采用应变片测量材料形变 应变片需要连在相应的电路中完成电阻变化测量。在桥式电路中，常用惠斯通电桥（如图1.1）[27]。惠斯通电桥具有4个电阻，一个对角线用来接入输入电压，另一个对角用于测量输出电压。实验前需要将电桥电路调至平衡状态。根据实际情况设置电阻平衡装置以及电容平衡装置，并且保证各应变片的阻值变化微小以工作在线性区[9]。 当压电元件因高电压在压电陶瓷上产生逆压电效应引起变形后，粘贴于敏感元件上的应变片同步发生变形，应变片电阻发生变化。在惠斯通电桥中测到电桥的输出电流或电压。 各种测量方法中，常用“全桥”进行测量，在AC端施加电压，测量BD端的电压。设R1、R3产生正Delta;R变化，R2、R4产生负Delta;R变化。则电桥的输出电压为： 式中，，其中为应变片的灵敏度，为应变片的应变量。 图1.1电桥电路 （2）压电材料性能研究——不同工况下实验；压电方程、压电参数计算 压电陶瓷的物理性能和稳定性会随着时间和环境温度的变化而变化，分别称为“经时稳定性”和“温度稳定性”[28]。温度稳定性即压电材料在不同温度下的性能参数会发生变化。一般可以通过改变压电材料的组成进行不同温度下实验，找到温度稳定性很好同时压电性能也很好的配方。不过考虑到这样选取压电材料进行实验的复杂性，计划对压电敏感元件采用合理贴应变片的方法实现温度补偿。 另一方面，对于压电材料，并不是在任何方向上都存在压电效应，只有在某些方向上，在某些应力的作用下，才能出现正压电效应。同样也不是在任何方向上都存在逆压电效应，只有在某些方向，某些电场下，才能产生逆压电效应[29]。 压电材料共有四种不同的电学边界条件和机械边界条件的组合，所对应的压电方程也不同。研究压电方程，通过改变相应的压电材料边界条件，可以得到不同的关系式并对压电材料的性能进行研究。 在机械边界自由，电学短路的情况下，有第一类压电方程。通过压电方程可以表述出相应的关系（第一类）： 其中为应变,为电场为0时的弹性柔顺系数，为应力，为电场，为压电常数，为应力为0时的介电常数。 另外压电材料还有二级压电效应，不过压电效应逐级递减，一般可以忽略一级以上的压电效应[29]。在本次毕设中视后续情况，是否研究二级压电效应。 （3）滞后补偿研究——类比仿效；自行编程 滞后会严重影响跟踪精度和稳定性，限制传感器设备本身的性能。对于磁传感器，通常采用的解决方案是对磁滞器件进行建模以定义合适的磁滞补偿算法，并且实时应用需要足够快速的算法进行磁滞补偿[30]。对于磁滞一般有Preisach model, LuGre model, Duhem model, Maxwell model 和Bouc-Wen model等建模方法[13]，或者采用一般数学分析实现补偿。除此之外还有Prandtl-Ishilinskii models也成功应用于滞后补偿[30]。W.Zhu等人[13]基于Bouc-Wen model通过添加PID比例积分微分控制环节（如图3.1）来实现磁传感器的滞后补偿。 各种磁相关滞后补偿方法对于本毕设相关的压电传感器有一定的借鉴意义，通过类比仿效的方式进一步研究相关已实践的滞后补偿方法，优化改善或者自行研究相应的方法应用于本毕设相关压电传感器，实现所需的滞后补偿。
图3.1非线性补偿环节 |
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参考文献
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