專利名稱：基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電磁測量以及光纖傳感技術領域，涉及電致發(fā)光技術領域，具體涉及一種基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器。
背景技術：
隨著電力系統輸電電壓等級的提高，利用傳統電磁式電壓互感器測量高電壓的方法顯露出許多不足之處，例如電氣絕緣能力較差、體積和重量均很大、存在較大的電功率和磁滯損耗、成本高、頻率響應頻帶較窄、存在安全隱患等。自1970年以來，人們開始研究光學電壓傳感器，這種新型傳感器具有電絕緣能力強、響應頻帶寬、體積小、重量輕、安全性高等優(yōu)點，受到人們的廣泛關注。目前光學電壓傳感器的測量原理主要是基于晶體或光纖的泡克耳斯(Pockels)線性電光效應和克爾(Kerr) 二次電光效應等，但這類傳感器均需要工作光源，例如激光二極管(LD)、發(fā)光二極管(LED)或超輻射發(fā)光二極管(SLD)。不但光源強度、光譜的穩(wěn)定性會影響光學電壓傳感器的性能，而且這些光源需要專用的供電電源，工作壽命有限，例如LD的正常工作壽命一般為幾千小時，難以滿足電力系統電壓長期連續(xù)監(jiān)測的要求。LED的正常工作壽命可達上萬小時，但其亮度和光譜穩(wěn)定性易于受溫度影響，從而也將影響電壓傳感器的實際性能。電致發(fā)光(EL)效應是指材料在直流或交流電場激發(fā)作用下直接發(fā)光，將電能直接轉換為光能的一種固體發(fā)光現象，目前主要用于光電顯示以及冷光源照明。1995年，已報道一種利用ZnS:Mn材料的交流薄膜電致發(fā)光陶瓷燈的壽命可達IO4小時。利用某些電致發(fā)光材料的發(fā)光亮度與外加電場或電壓之間的相關性，已有基于電致發(fā)光效應的光學電壓或電場傳感器研究，例如利用ZnS = Mn和SiC電致發(fā)光材料的工頻電場傳感器。寧叔帆，于昕哲，徐陽等在2006年10月公開的西安交通大學學報中，提出了利用SiC電致發(fā)光特性在線測量防暈層表面電場分布，但該方法并不適合直接應用到電力系統的電壓測量中。公開號為102752893A的中國專利申請在2012年10月24日公開了一種用于高電壓測量的電致發(fā)光顯示器件，使用了電致發(fā)光材料層，在使用時根據產生的不同亮度的光對應的標記文字，來確定電壓數值范圍，但該方法實現了對電壓等級的顯示，并不能實現對被測電壓的準確測量。但目前利用電致發(fā)光線以及塊狀電致發(fā)光材料的光學電壓傳感器尚未見相關文獻報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是為了解決目前光學電壓傳感器所用的光源問題，提出一種基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器，并設計了利用電致發(fā)光線狀和塊狀兩種結構的電壓傳感頭，實現了工頻電壓有效值的絕緣性測量。本發(fā)明提供的基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器，包括兩個平行電極，電致發(fā)光材料加工成的電致發(fā)光層，多模光纖以及光電檢測電路；電致發(fā)光層處于兩個平行電極之間，電致發(fā)光層的電致發(fā)光材料斷面或者表面連接多模光纖的一端，多模光纖的另一端連接光電檢測電路。兩個平行電極引入電場，電致發(fā)光材料產生發(fā)光。平行電極和電致發(fā)光層的第一種結構為兩個平行電極分為內電極和外電極，都由金屬絲構成，作為內電極的金屬絲表面均勻地緊密包裹電致發(fā)光層，電致發(fā)光層的外部纏繞作為外電極的另一金屬絲。內電極金屬絲比外電極金屬絲粗。兩個平行電極和電致發(fā)光層的外部緊密包裹一層透明塑料保護層，從而形成電致發(fā)光線。通過在固體絕緣材料上鉆兩個互相垂直且互相連通的孔，將電致發(fā)光線和多模光纖分別插入兩個孔中并固定，實現電致發(fā)光線與多模光纖的光耦合。平行電極和電致發(fā)光層的第二種結構為兩個平行電極分為內電極和外電極，內電極為能夠承載一定電流的圓形金屬導線，其表面均勻、緊密包裹電致發(fā)光層，電致發(fā)光層的外部均勻、緊密包裹外電極，外電極可由一層透明導電薄膜構成，例如是能透光的銦錫氧化物(ΙΤ0)薄膜電極，外電極也可以由一層金屬薄膜構成。外電極的外部緊密包裹一層透明塑料保護層，從而形成電致發(fā)光線。通過在固體絕緣材料(PVC塑料)上鉆兩個互相垂直且互相連通的孔，將電致發(fā)光線和多模光纖分別插入兩個孔中并固定，實現電致發(fā)光線與多模光纖的光耦合。當外電極為金屬薄膜構成時，為了將電致發(fā)光耦合到多模光纖內，在與多模光纖端面正對的外電極處開一個與多模光纖芯直徑相等的圓孔。平行電極和電致發(fā)光層的第三種結構為所述的電致發(fā)光層和兩個平行電極均加工成直徑相等的圓片狀，單層片狀的電致發(fā)光層的上下表面分別緊密粘貼兩個金屬片電極。本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于(I)傳感信號由光纖傳輸，能夠實現電壓或電場的遠距離絕緣測量。(2)不需要獨立的工作光源，不但能夠減小傳感器電功率損耗，而且可以有效避免傳統光學電壓傳感器中光源特性不穩(wěn)定對電壓傳感性能的影響。(3)采用電致發(fā)光線狀傳感頭結構，便于直接與輸電線連接，在線測量輸電線纜上的電壓。(4)結構簡單、成本低、體積小、重量輕、使用壽命長。


圖1是本發(fā)明的基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器的第一實施例示意圖；圖2是本發(fā)明的基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器的第二實施例示意圖；圖3是本發(fā)明的基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器的第三實施例示意圖；圖4是采用圖1所示的光學電壓傳感器進行電壓測量實驗測得的光電探測器開路電壓與被測工頻電壓有效值實驗數據圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明提供的光學電壓傳感器的基本測量機理如下一般粉末材料和薄膜型電致發(fā)光器件的發(fā)光亮度B與外加電壓之間的關系為B = B0exp[-(V0/u)0·5] (I)其中，u為電致發(fā)光材料的外加電壓，Btl和Vtl是與材料相關的常數。將此電致發(fā)光由光纖傳輸到光電探測器(簡稱PD)并測量其亮度，根據(I)式即可獲得被測電壓信息。假設ro接收到的光功率P與發(fā)光亮度B成正比，即P=kB (2)式中k為與光耦合與傳輸有關的比例系數。光功率P的測量可以采用光電流-電壓線性變換與放大的方法，此時傳感器輸出電壓U。與光功率P以及發(fā)光亮度B成正比。也可選用ro的開路電壓U。。作為傳感器輸出信號，即Uoc = In(3)
e Irs其中，kB為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，e為電子電荷量，Irs為H)的反向飽和電流，Ctl為常數。將式(I)、(2)代入到式(3)中可得 Moc =^-P-(4)
ee \ u式中系數灸=。
ra引入常數V1，對式(4)中的u_°_5進行線性化變換= (*_'+ 。
P令X=(UZV1-1),并利用冪級數展開公式(l+x)k=l+kx+o(x)展開上式,忽略高階小項O(X)，并代入式(4)可得，uoc ^ mu+n (5)式中講$長和”* (Ink1-嫌勵織。 由式(5)可知，在一定電壓范圍內，PD的開路電壓U。。與電致發(fā)光材料的外加電壓U之間存在近似線性關系。此近似線性范圍可由上述小變量X的取值以及允許的非線性誤差來確定。例如，可考慮Ix|〈a，a為一個小的常數，則可由-aGw/V1-Ka得到近似線性測量范圍為(1-B)V^iK(Ha)V1 (6)可見，經合理近似計算，在一定電壓范圍內，開路電壓U。。與被測電壓u近似成線性關系。測量不同等級電壓(場)，應選擇不同種類的電致發(fā)光材料、合理設計電致發(fā)光層的厚度及其結構。通過選用不同種類的電致發(fā)光材料，可以實現不同類型電壓的傳感與測量，例如直流電壓傳感應選用ZnS = Mn材料，交流電壓傳感應選用ZnS = Cu材料等。本發(fā)明利用電致發(fā)光材料的發(fā)光強度與外加電壓之間的關聯作用實現電壓的傳感與測量。本發(fā)明提供的基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器包括兩個平行電極，電致發(fā)光材料加工成的電致發(fā)光層，多模光纖以及光電檢測電路。電致發(fā)光材料形成的電致發(fā)光層處于兩個平行的平行電極中間，電致發(fā)光材料斷面與多模光纖的一端連接，或者電致發(fā)光材料表面與多模光纖的一端連接。多模光纖的另一端連接光電檢測電路。如圖1所不，為本發(fā)明光學電壓傳感器的第一實施例。第一實施例選用電致發(fā)光線作為電致發(fā)光元件和電壓傳感頭。兩個平行電極都由金屬絲構成，分為位于中心位置的內電極和外圍的外電極，內電極金屬絲比外電極金屬絲粗。內電極金屬絲表面包裹一層電致發(fā)光材料，電致發(fā)光材料外部纏繞外電極金屬絲。兩個平行電極加入電場，電致發(fā)光材料產生發(fā)光，電壓傳感信號光由多模光纖傳輸到光電檢測電路。第一實施例中的電致發(fā)光線的結構由里到外，包括銅絲、電致發(fā)光層、金屬絲和塑料保護層。交流電壓傳感的電致發(fā)光層的材料主要是由直徑為5-30μπι的ZnS:Cu粉末微晶顆粒組成。圖1中，銅絲位于電致發(fā)光線的中心，為內電極，外電極為某一金屬絲。傳光用的多模光纖可用塑料光纖。為了實現電致發(fā)光線與多模光纖耦合，多模光纖例如是塑料光纖，在一塊固體絕緣材料如聚氯乙烯(PVC)上，鉆兩個互相垂直且互相連通的孔，分別插入電致發(fā)光線和塑料光纖，并固定位置。在電致發(fā)光線上加電壓后，發(fā)光線發(fā)出的光耦合進塑料光纖并傳輸到光電檢測電路。光電檢測電路中采用S1-PIN型光電二極管作為光電探測器，通過測量光電探測器的開路電壓獲得被測電壓信號。在一定幅值的工頻電壓作用下，上述電致發(fā)光線可產生中心波長約為525nm的可 見光，將此電致發(fā)光用塑料光纖傳輸到光電探測器，則探測器的開路電壓與被測電壓有效值之間具有近似線性關系。采用如圖1所示的實驗裝置，選用的電致發(fā)光線長度約為2cm。工頻市內用電通過自耦調壓器和升壓變壓器變換后接入電致發(fā)光線的兩個電極作為被測電壓，其有效值變化范圍為O 5000V，在750V范圍內，由萬用表(優(yōu)利德UT39E型)交流750V檔測量；PD的開路電壓U。。用萬用表(優(yōu)利德UT58E型)直流200mV檔測量。測量了 H)的開路電壓U。。隨被測電壓u有效值變化的關系，一組典型實驗數據及其線性擬合結果如圖4所示，由圖可見，電致發(fā)光線發(fā)光的閾值電壓約為80V，發(fā)光后U。。隨被測電壓u線性變化，與上述公式
(5)一致，且電壓增大和電壓減小測量過程的實驗數據重復性較好。對被測電壓有效值為100-500V范圍內的實驗數據進行了線性擬合，擬合結果為u。。^ O. 01082U-0. 31355 (mV)，電壓靈敏度約為10. 8 μ V/V，其非線性誤差低于1.8%。此外，實驗測量了傳感器輸出在室溫下的靜態(tài)穩(wěn)定性，當輸入電壓有效值固定為200V時，Uoc在90分鐘內電壓波動幅度約為±0. 025mV，表明傳感器具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性?？梢?，利用長度為2cm的電致發(fā)光線測量100疒500V的工頻電壓有效值，具有較好的線性響應特性，即實驗證明本發(fā)明實施例一所述的光學電傳感器能夠實現對電壓有效值的傳感與測量。如圖2所示，為本發(fā)明光學電壓傳感器的第二實施例。與實施例一不同的是，其內電極較粗，可以承載一定大小的電流，其內電極直徑由待測電壓的被接入電纜的實際電流大小來確定；其外電極為圓形金屬或ITO薄膜，可以使得電致發(fā)光層內電場分布更加均勻。電致發(fā)光層的厚度由待測電壓來確定。當外電極為金屬薄膜時，為了將電致發(fā)光耦合到光纖內，應在與光纖端面正對的外電極處開一個與光纖芯直徑相等的小圓孔。同樣，第二實施例中的平行電極和電致發(fā)光層的外部緊密包裹一層透明塑料保護層，從而形成電致發(fā)光線。通過在固體絕緣材料((PVC塑料)上鉆兩個互相垂直且互相連通的孔，將電致發(fā)光線和多模光纖分別插入兩個孔中并固定，實現電致發(fā)光線與多模光纖的光耦合。在電致發(fā)光線上加電壓后，發(fā)光線發(fā)出的光耦合進塑料光纖并傳輸到光電檢測電路。光電檢測電路中采用S1-PIN型光電二極管作為光電探測器，通過測量光電探測器的開路電壓獲得被測電壓信號。
如圖3所示，為本發(fā)明光學電壓傳感器的第三實施例。第三實施例中利用設計成圓片狀的電致發(fā)光材料形成電壓傳感元件，并通過設置電致發(fā)光層的厚度實現不同等級電壓的測量。本實施例中兩個平行電極和電致發(fā)光層均加工成直徑相等的圓片狀，兩個金屬片作為兩個平行電極，圓片狀的電致發(fā)光材料作為電致發(fā)光層，電致發(fā)光層的上下兩個表面分別粘貼兩個電極，利用一塊固體絕緣材料將圓片狀電致發(fā)光層、兩個金屬電極和多模光纖固定在一起，電致發(fā)光層所發(fā)出的光直接耦合進入多模光纖。在加工時，可在金屬片的一側表面涂覆一層電致發(fā)光材料，在電致發(fā)光材料的另一側表面粘結另一金屬片，兩個平行電極加入電場，電致發(fā)光材料產生發(fā)光。電致發(fā)光層的厚度應根據被測電壓幅值大小以及所用多模光纖的芯徑來確定。在電致發(fā)光線上加電壓后，發(fā)光線發(fā)出的光耦合進塑料光纖并傳輸到光電檢測電路。光電檢測電路中采用S1-PIN型光電二極管作為光電探測器，通過測量光電探測器的開路電壓獲得被測電壓信號。本發(fā)明上述三個實施例中采用多模光纖傳輸光傳感信號，所用多模光纖可以是塑料光纖或大芯徑玻璃光纖。多模光纖芯的直徑與電致發(fā)光層的厚度相匹配，當被測電壓幅值在1000V以內，電致發(fā)光層的厚度為Imm時，多模光纖芯的直徑選為1mm。經過實驗，本發(fā)明提供的光學電壓傳感器，能實現電壓或電場的遠距離絕緣測量，且不需要獨立的工作光源，減小了傳感器電功率損耗，避免了光源特性不穩(wěn)定對電壓傳感性能的影響。
權利要求
1.一種基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器，其特征在于包括兩個平行電極，電致發(fā)光材料加工成的電致發(fā)光層，多模光纖以及光電檢測電路；電致發(fā)光層處于兩個平行電極之間，兩個平行電極引入電場，電致發(fā)光材料產生發(fā)光；電致發(fā)光層的電致發(fā)光材料的斷面或者表面連接多模光纖的一端，多模光纖的另一端連接光電檢測電路。
2.根據權利要求1所述的光學電壓傳感器，其特征在于所述的兩個平行電極分別為內電極和外電極，都是圓形金屬絲，位于中心的內電極表面均勻地緊密包裹電致發(fā)光層，電致發(fā)光層的外部纏繞作為外電極的另一金屬絲，內電極比外電極粗，兩個平行電極和電致發(fā)光層的外部加工上塑料保護層形成電致發(fā)光線，通過在固體絕緣材料上鉆兩個互相垂直且互相連通的孔，然后將電致發(fā)光線和多模光纖插入兩個孔中并固定，實現電致發(fā)光線與多模光纖的光f禹合。
3.根據權利要求1所述的光學電壓傳感器，其特征在于所述的兩個平行電極分別為內電極和外電極，內電極為能夠承載一定電流的圓形金屬絲，內電極表面均勻包裹電致發(fā)光層，電致發(fā)光層的外部緊密包裹外電極，外電極由一層透明導電薄膜構成或者由金屬薄膜構成；兩個平行電極和電致發(fā)光層的外部加工上塑料保護層形成電致發(fā)光線，通過在固體絕緣材料上鉆兩個互相垂直且互相連通的孔，然后將電致發(fā)光線和多模光纖插入兩個孔中并固定，實現電致發(fā)光線與多模光纖的光耦合，當外電極為金屬薄膜構成時，在與多模光纖端面正對的外電極處開一個與多模光纖芯直徑相等的圓孔。
4.根據權利要求3所述的光學電壓傳感器，其特征在于所述的外電極為銦錫氧化物導電薄膜形成。
5.根據權利要求1所述的光學電壓傳感器，其特征在于所述的平行電極和電致發(fā)光層均加工成直徑相等的圓片狀，平行電極為金屬電極，電致發(fā)光層的上下表面分別緊密粘貼兩個平行電極。
6.根據權利要求5所述的光學電壓傳感器，其特征在于所述的平行電極和電致發(fā)光層通過一塊固體絕緣材料與多模光纖固定在一起，電致發(fā)光層所發(fā)出的光直接耦合進入多模光纖。
7.根據權利要求1所述的光學電壓傳感器，其特征在于所述的多模光纖為塑料光纖或大芯徑玻璃光纖，多模光纖芯的直徑與電致發(fā)光層的厚度相匹配，當被測電壓幅值在 1000V以內，電致發(fā)光層的厚度為Imm時，多模光纖芯的直徑選為1mm。
8.根據權利要求1所述的光學電壓傳感器，其特征在于光電檢測電路中采用S1-PIN 型光電二極管作為光電探測器；通過測量光電探測器的開路電壓獲得被測電壓信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電致發(fā)光效應的光學電壓傳感器，采用電致發(fā)光線或塊狀電致發(fā)光材料作為電壓傳感元件，電致發(fā)光線主要是通過在中心圓形金屬電極表面覆蓋上電致發(fā)光材料再纏繞上另一個金屬絲電極或緊密包裹另一個圓形薄膜電極而實現，塊狀電致發(fā)光材料是通過片狀電致發(fā)光材料將兩個電極粘結形成。在被測電壓作用下，傳感元件將產生與被測電壓相關的電致發(fā)光，將光傳感信號用多模光纖傳輸到光電檢測電路，通過測量電致發(fā)光強度，獲得被測電壓。本發(fā)明提供的傳感器不需要工作光源、壽命長、絕緣性好、結構簡單、成本低，有效避免傳統光學電壓傳感器中光源特性不穩(wěn)定對電壓傳感性能的影響，實現準確在線測量輸電線纜上的電壓。
文檔編號G01R19/00GK103018533SQ20121054873
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權日2012年12月17日
發(fā)明者李長勝, 姚健, 鄭巖 申請人:北京航空航天大學