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高压放大器在电场传感器取向夹角影响测量实验中的应用

作者：Aigtek 阅读数：0 发布时间：2025-10-28 14:56:59

　　实验名称：基于铜板和压电-压阻耦合敏感元的电场传感器取向夹角影响测量实验

　　研究方向：探究压电-压阻耦合式电场传感器与电场强度取向夹角对矢量测量精度的影响机制及电力系统故障监测应用优化。通过有限元仿真和铜板模拟实验量化0°~75°夹角范围内测量误差的作用规律；进一步结合无人机平台优化故障定位方法，在电压异常和线路垂落故障模型中验证应用可行性：当取向夹角≤45°时实测误差≤1mV，故障定位精度提升至绿点处比例因子0.8125；揭示取向夹角与测量线性度、系统误差的定量关联，为高压线路安全维护提供非接触式监测设计依据。

　　实验目的：首先通过有限元仿真和铜板模拟实验探究了电场传感器与电场强度取向夹角在0°~75°范围内对测量精度的影响机制；进一步基于取向夹角≤45°时实测误差≤1mV的结果，设计无人机携带该传感器的故障监测方案，并通过电压异常和线路垂落故障模型的仿真研究其定位有效性。

　　测试设备：COMSOL多物理场仿真软件、信号发生器、高压放大器ATA-7050、示波器、数据采集卡、屏蔽实验箱、定制铜板装置。

　　实验过程：首先通过有限元仿真模拟电场传感器在0°~75°取向夹角下的输出特性，发现当取向夹角≤45°时测量误差≤1mV，且输出随角度变化符合余弦规律；基于此设计铜板模拟实验平台，选用PZT-5H压电振子和P型硅应变片构建敏感元，在71.5kV/m电场中实测0°~75°倾角下的输出信号，验证了45°内实测与仿真误差<1mV的可靠性。随后在故障监测仿真中，建立400kV输电线模型，针对电压异常（一相200~600kV）和线路垂落（15m→5m）两类故障，选择绿点（y=20m,z=25m）作为无人机测量位，通过比例因子反演场强，确认电压异常时比例因子变化范围0.8125~0.8474，垂落时取向夹角变化具单调性。最后设计无人机巡航方案：固定传感器极化面水平，沿x轴扫描50m线路，对比实测场强分布与仿真预期，实现故障类型判别与定位。

　　图1压电-压阻耦合式电场传感器敏感元结构示意图

　　图2压电振子感受到的电场强度分析模型示意图

　　图3电场传感器敏感元封装实物图

　　图4多材料堆叠影响分析模型示意图

　　图5测试系统设计架构图

　　图6测试系统实物图

　　实验结果：通过有限元仿真和铜板模拟实验证实，当电场传感器与电场方向的取向夹角在0°~45°范围内时，实测输出信号与仿真结果差异≤1mV，验证了输出信号随角度增大呈

　　的余弦衰减规律，该现象源于压电振子在垂直极化面电场分量主导下的长度伸缩形变；而当取向夹角＞45°时，平行电场分量引发的非理想形变导致误差显著增大，明确界定45°为矢量测量的可靠性边界。进一步在高压输电线故障监测应用中：利用绿点（y=20m,z=25m）处的比例因子变化成功反演电压异常——当一相电压从400kV降至200kV时(仿真结果)，比例因子从0.8282升至0.8474，结合传感器50V/m的分辨率实现电压值反演误差＜5%；同时通过线路垂落仿真（15m→5m）发现绿点处取向夹角呈单调递增趋势，无人机搭载传感器巡航扫描该变化可定位垂落点，精度达±1m。最终提出安全操作准则：优先选择测量点全程满足取向夹角≤45°，并预标定比例因子，无人机定高25m、水平偏移20m巡航时实测场强误差≤50V/m，同步实现电压异常判别与垂落故障定位，彻底规避高压环境人工调整传感器的风险。