CN101609108A - 电压或电流信号的测量方法及实现该方法的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微振动光测量技术测量电压或电流的方法以及实现该方法的传感器。具体是一种基于电场力驱动静电薄膜运动原理的电压传感器和基于磁场力驱动磁化薄膜运动原理的电流传感器。本发明涉及的方法是在电/磁场中设置静电/磁化薄膜，并检测该静电/磁化薄膜在电/磁场中的运动信号A，即其振动或进动信号，并将该运动信号A转换为光强度信号，经光电转换得到电压或电流参数A′。本发明提供的测量电压电流的方法易于理解、便于实现；根据该方法制作的传感器工艺简单，成本低，高电位不需要外加驱动电源、低电位实现无接触测量，测量精度不受温度变化的影响，既可以用于交流电压电流的测量，也可以用于直流电压电流的测量。

Description

电压或电流信号的测量方法及实现该方法的传感器

技术领域

本发明涉及一种基于微振动光测量技术测量电压或电流的方法以及实现该方法的传感器，具体是一种基于电场力驱动静电薄膜运动原理的电压传感器和基于磁场力驱动磁化薄膜运动原理的电流传感器。适用于电力系统的交直流电压电流的测量。

背景技术

目前电力系统中使用的电压传感器有电磁式、光电式、电阻分压式和电容分压式四种。电磁式电压传感器绝缘难度大、成本高；光电式电压传感器的加工要求高、温度和应力变化引起的双折射现象影响测量精度的长期稳定性；电阻分压式的测量精度受分布电容和电阻动热稳定性的限制；电容分压式存在铁磁谐振的问题，其瞬变响应特性和安全可靠性有待于改善。

目前电力系统中使用的电流传感器有电磁式和光电式两种。与现有的电磁式电压传感器类似，电磁式电流传感器也存在绝缘难度大、成本高的问题；光电式电流传感器加工要求高、温度和应力变化引起的双折射现象影响测量精度的长期稳定性。

因此，现有的电力系统中测量电压电流的方法和相应的传感器都存在着许多需要克服的问题。

发明内容

本发明的目的是设计一种不受温度影响、使用方便、便于理解的测量电压电流的新方法以及工艺简单、易于实现、安全可靠、测量精确的电压/电流传感器。

本发明所述的方法是在电/磁场中设置静电/磁化薄膜，并检测该静电/磁化薄膜在电/磁场中的运动信号A，即其振动或进动信号，并将该信号A转换为光强度信号，经光脉冲测量系统的光电转换得到电压或电流参数A′。这种直接测量的方法适用于在理想的屏蔽环境中进行，即在外部干扰较小时对电流或电压进行测量。

一般情况下，测量环境中存在一定的外部干扰。在电/磁场中设置非静电/磁化薄膜，并检测该非静电/磁化薄膜的运动信号B，将该运动信号B转换为光强度信号，经光脉冲测量系统的光电转换得到电信号B′。将信号A′减去信号B′，可以消除外部干扰。

本发明既可以用于测量交流电压电流，也可以用于测量直流电压电流。

在进行电压测量时，本发明是对被测电压产生的电场进行测量。电场力对电荷的作用遵循库仑定律，于是，一片经过直流电压极化而带有静电荷的薄膜，当其质量可以忽略不计(厚度为微米或纳米数量级)时，将其置于交直流电压产生的电场中，在电场力的作用下薄膜将产生振动或进动，其振动或进动的幅值是电压的线性函数。

进行电流测量时，是对电流产生的磁场进行测量。一片置入电流线圈的薄膜，电流线圈分流了主导线电流，当其质量可以忽略不计(厚度为微米或纳米数量级)时，将其置于永磁体产生的磁场中，在永磁体磁场和电流线圈的电流磁场的相互作用下薄膜将产生振动或进动，其振动或进动的幅值是主导线电流的线性函数。

向薄膜发射光信号，经过薄膜的反射后，反射光信号的强度随薄膜的振动或进动发生变化，通过测量反射光强度的变化并转换为相应的电信号，得到需要测量的电压或电流。

为了排除非电/磁场力的影响，设置了一片质量、材料、大小、形状、结构完全相同的没有经过直流极化/没有接入分流电流的薄膜，用来感应非电/磁场力产生的振动或进动，即：设置两片薄膜，一片经过直流极化/置入的电流线圈分流主导线电流，其振动或进动是电/磁场力与非电/磁场力共同作用的结果，即信号A；另一片没有经过直流极化/置入的电流线圈没有分流主导线电流，其振动或进动是非电/磁场力单独作用的结果，即信号B。分别测量这两片薄膜的振动或进动导致的光强度的变化，经光脉冲测量系统转换为模拟(或数字)电压/电流信号A′与B′，A′与B′的差就是需要测量的电压或电流。

为实现测量电压或电流的目的，本发明中的静电/磁化薄膜可选用设置有外接高压直流静电发生器或直流电源的薄膜或置入有电流线圈的薄膜。

为保证测量的准确性，当测量电压时，在被测量导体周围设置导电机构将电场均匀地分布在静电薄膜上。测量电流时，设置永磁体以及磁屏蔽，将被测电流分流至薄膜上的电流线圈，磁屏蔽用于将主导线电流产生的磁场隔离，永磁体产生的磁场均匀地分布在磁化薄膜上。

另外，本发明是通过测量光脉冲的反射光强度确定运动信号A及B，光脉冲由光纤引导至静电/磁化薄膜及非静电/磁化薄膜附近后再向其发射。同时，一定长度的光纤还有效地实现了高电位和地电位之间的绝缘。

利用上述原理实现的应用于理想环境中的传感器可为下述结构：它包括支架或外壳以及设置在支架上或外壳内的静电/磁化薄膜，它还有与该静电/磁化薄膜对应的光脉冲发射及接收机构以及将光信号进行转换和处理的光脉冲测量系统。

对于一般的测量环境，应用电磁绝缘的外壳，并在外壳内再设置有与静电/磁化薄膜规格完全对应的非静电/磁化薄膜，有两组光纤的输入/输出端分别与静电/磁化薄膜及非静电/磁化薄膜对应，它们与光脉冲的发射及接收机构连接。

在本发明中，电压传感器中的静电薄膜连接有高压直流静电发生器或直流电源，以使薄膜上带有所需的静电荷；测量电流时，从所要测量的主导线电流中接出分流电流并接入磁化薄膜上的电流线圈。磁化薄膜中置入了电流线圈，非磁化薄膜中也置入了电流线圈。

传感器的具体结构为：外壳内壁由上至下依次固定有静电/磁化薄膜、静电/磁化薄膜检测光纤固定架、非静电/磁化薄膜、非静电/磁化薄膜检测光纤固定架。此外，光脉冲测量系统既可以设置在外壳之内，也可以设置在外壳之外。

正如方法所述，为保证测量的准确性，当测量电压时，最好在被测量导体周围设置导电机构将电场均匀地分布在静电薄膜上。当测量电流时，设置有永磁体以及磁屏蔽，并将被测电流分流到磁化薄膜上的电流线圈。磁屏蔽用于隔离被测主导线电流产生的磁场，永磁体产生的磁场均匀地分布在磁化薄膜上。

本发明提供的测量电压电流的方法是基于微振动光测量技术实现的，它易于理解，便于实现；根据该方法制作的传感器工艺简单，成本低，高电位不需要外加驱动电源、低电位实现无接触测量，测量精度不受温度变化的影响，既可以用于测量交流电压电流，也可以用于测量直流电压电流。

附图说明

图1是本发明实施例一电压传感器的剖视图；

图2是本发明实施例二电流传感器的剖视图；

图3是本实用新型实施例二中磁化薄膜的结构示意图。

其中，1是主导线，2是屏蔽外壳，3是静电/磁化薄膜，4是非静电/磁化薄膜，5是薄膜支架1，6是薄膜支架2，7是光纤支架1，8是光纤支架2，9是信号传输光纤1，10是信号传输光纤2，11是导电系统，12是腔体，13是光脉冲测量系统，14是永磁体，15是磁屏蔽，16是分流导线，17是电流线圈，18是高压直流静电发生器或直流电源。

最佳实施方式

实施例1：

本实施例为电压传感器，其结构如图1所示：传感器通过导电系统与导线紧密连接，静电薄膜设置在距光脉冲测量系统与非静电薄膜相比较远处，用薄膜支架1固定静电薄膜，用薄膜支架2固定非静电薄膜；信号传输光纤1与信号传输光纤2一端与光脉冲测量系统连接，另一端延伸到距离薄膜较近处，光纤支架1固定信号传输光纤1，光纤支架2固定信号传输光纤2，使信号传输光纤1的这一端与静电薄膜之间的距离同信号传输光纤2的这一端与非静电薄膜之间的距离相同；光脉冲测量系统置于地电位。静电薄膜连接有高压直流静电发生器或直流电源。

本实施例的静电薄膜是通过高压直流静电发生器或直流电源的极化得到静电荷，薄膜的厚度一般为微米或纳米数量级，质量可以忽略不计。光脉冲测量系统用于测量由于静电薄膜的振动或进动而产生的反射光强度的变化并将光强度信号转换为电信号，其有效测量范围为纳米级或微米级，视不同的测量精度要求而定。

电压传感器中的导电系统设置为与主导线紧密连接的金属，可以使电压产生的电场进入腔体内部并均匀地作用在静电薄膜上。

使用时，将传感器与主导线紧密连接，主导线中的电压产生电场，通过导电系统的作用，电场进入腔体并均匀地作用在静电薄膜上，静电薄膜随着电压的变化产生振动或进动，使静电薄膜反射的光强度也随之变化。在没有外力的干扰下，这种反射光强度的大小是主导线电压幅值的线性函数。光脉冲经过入射光纤传输到距离薄膜较近处发射出去，经过静电薄膜的反射进入反射光纤，返回光脉冲测量系统，并将光强度信号转换为电信号。同时，一定长度的光纤还有效地实现了高电位和地电位之间电气绝缘。非静电薄膜没有经过极化处理，因此电场对非静电薄膜不产生作用，但非电场力或外力对静电薄膜和非静电薄膜的作用是相同的。光脉冲测量系统用同样的方法测量非静电薄膜的反射光强度信号并转换为电信号。

光脉冲测量系统测量到的静电薄膜反射光强度的电信号减去非静电薄膜反射光强度的电信号，便排除了非电场力或外力对测量结果的干扰。经过电信号与电压幅值之间的线性换算，得出电压的大小。

实施例2

本实施例为电流传感器，其结构如图2所示：从主导线上引出分流导线将磁化薄膜上的电流线圈与主导线并联，与磁化薄膜平行方向设置有永磁体，永磁体和主导线之间设置有磁屏蔽，以屏蔽主导线电流产生的磁场；磁化薄膜设置在距光脉冲测量系统与非磁化薄膜相比较远处，用薄膜支架1固定磁化薄膜，用薄膜支架2固定非磁化薄膜；信号传输光纤1与信号传输光纤2一端与光脉冲测量系统连接，另一端延伸到距离薄膜较近处，光纤支架1固定信号传输光纤1，光纤支架2固定信号传输光纤2，使信号传输光纤1的这一端与磁化薄膜之间的距离同信号传输光纤2的这一端与非磁化薄膜之间的距离相同；光脉冲测量系统置于地电位。

本发明的磁化薄膜是在无磁性的薄膜上置入电流线圈，结构图如图3所示，薄膜的厚度一般为微米或纳米数量级，质量可以忽略不计。当电流线圈接入分流电流后，光脉冲测量系统测量在永磁体磁场与电流线圈磁场共同作用下磁化薄膜的振动或进动导致的反射光强度的变化，并将光强度信号转换为电信号，其有效测量范围视不同的测量精度要求而定。

使用时，将传感器与主导线紧密连接，永磁体产生的磁场均匀地作用在磁化薄膜上，由于磁化薄膜上置入了电流线圈，通过电流时在永磁体磁场和电流磁场共同作用下会产生振动或进动，在没有外力干扰的条件下，这种因振动或进动导致的反射光强度的变化是主导线电流幅值的线性函数。光脉冲经过入射光纤的传输到达距离薄膜较近处发射出去，经过薄膜的反射进入反射光纤，返回光脉冲测量系统，由光脉冲反射的光强度不同计算出薄膜振动或进动的幅值。同时，一定长度的光纤还有效地实现了高电位和地电位之间电气绝缘。非磁化薄膜没有经过磁化处理，因此，磁场对非磁化薄膜不产生作用，由于非磁化薄膜与磁化薄膜的结构和质量完全一致，且其上设置有相同的电流线圈，故非磁场力或外力对磁化薄膜和非磁化薄膜的作用是相同的。光脉冲测量系统用同样的方法测量非磁化薄膜反射的光强度的变化。

光脉冲测量系统测量到的由磁化薄膜的振动或进动导致的光强度的变化，经光电转换后变成电信号，这一信号减去非磁化薄膜的振动或进动导致的反射光强度的变化对应的电信号，便排除了非磁场力或外力对测量结果的干扰。经过电信号幅值与电流幅值之间的线性计算，得出电流的大小。

Claims (9)

1、一种电压或电流信号的测量方法，其特征是：它是在电/磁场中设置静电/磁化薄膜，并检测该静电/磁化薄膜在电/磁场中的运动信号A，将该信号A转换为光强度信号，经光电转换得到电压或电流参数A′。

2、根据权利要求1所述的电压或电流信号的测量方法，其特征是：在电/磁场中设置非静电/磁化薄膜，并检测该非静电/磁化薄膜的运动信号B，将信号B转换为光强度信号，经光电转换得到信号B′，将信号A′减去信号B′，经计算得到电压或电流参数。

3、根据权利要求1或2所述的电压或电流信号的测量方法，其特征是：所述的静电/磁化薄膜为连接有高压直流静电发生器或直流电源或置入电流线圈的薄膜。

4、根据权利要求1或2或3所述的电压或电流信号的测量方法，其特征是：它通过测量光脉冲的反射信号强度确定运动信号A及B的参数。

5、实现如权利要求1所述的电压或电流信号的测量方法的传感器，其特征是：它包括支架及设置在支架上的静电/磁化薄膜，它还有与该静电/磁化薄膜对应的光脉冲的发射及接收机构以及测量和处理反射光强度信号的光脉冲测量系统。

6、根据权利要求5所述的传感器，其特征是：所述的支架为屏蔽外壳，外壳内还设置有与静电/磁化薄膜规格对应的非静电/磁化薄膜，有两组光纤的输入/输出端分别与静电/磁化薄膜及非静电/磁化薄膜对应，它们与光脉冲的发射及接收机构连接。

7、根据权利要求5或6所述的传感器，其特征是：在磁化薄膜对应处有永磁体以及磁屏蔽，并且有与主导线并联的分流机构，所述分流机构包括电流线圈以及与电流线圈串联的两条分流导线。

8、根据权利要求5或6或7所述的传感器，其特征是：所述磁化薄膜和非磁化薄膜上均置入有相同的电流线圈。

9、根据权利要求6或7或8所述的传感器，其特征是：外壳内壁由上至下依次固定有静电/磁化薄膜、静电/磁化薄膜检测光纤固定架、非静电/磁化薄膜、非静电/磁化薄膜检测光纤固定架。

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