CN103018533B - 基于电致发光效应的光学电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电致发光效应的光学电压传感器，采用电致发光线或块状电致发光材料作为电压传感元件，电致发光线主要是通过在中心圆形金属电极表面覆盖上电致发光材料再缠绕上另一个金属丝电极或紧密包裹另一个圆形薄膜电极而实现，块状电致发光材料是通过片状电致发光材料将两个电极粘结形成。在被测电压作用下，传感元件将产生与被测电压相关的电致发光，将光传感信号用多模光纤传输到光电检测电路，通过测量电致发光强度，获得被测电压。本发明提供的传感器不需要工作光源、寿命长、绝缘性好、结构简单、成本低，有效避免传统光学电压传感器中光源特性不稳定对电压传感性能的影响，实现准确在线测量输电线缆上的电压。

Description

基于电致发光效应的光学电压传感器

技术领域

本发明属于电磁测量以及光纤传感技术领域，涉及电致发光技术领域，具体涉及一种基于电致发光效应的光学电压传感器。

背景技术

随着电力系统输电电压等级的提高，利用传统电磁式电压互感器测量高电压的方法显露出许多不足之处，例如电气绝缘能力较差、体积和重量均很大、存在较大的电功率和磁滞损耗、成本高、频率响应频带较窄、存在安全隐患等。自1970年以来，人们开始研究光学电压传感器，这种新型传感器具有电绝缘能力强、响应频带宽、体积小、重量轻、安全性高等优点，受到人们的广泛关注。

目前光学电压传感器的测量原理主要是基于晶体或光纤的泡克耳斯（Pockels）线性电光效应和克尔（Kerr）二次电光效应等，但这类传感器均需要工作光源，例如激光二极管（LD）、发光二极管（LED）或超辐射发光二极管（SLD）。不但光源强度、光谱的稳定性会影响光学电压传感器的性能，而且这些光源需要专用的供电电源，工作寿命有限，例如LD的正常工作寿命一般为几千小时，难以满足电力系统电压长期连续监测的要求。LED的正常工作寿命可达上万小时，但其亮度和光谱稳定性易于受温度影响，从而也将影响电压传感器的实际性能。

电致发光（EL）效应是指材料在直流或交流电场激发作用下直接发光，将电能直接转换为光能的一种固体发光现象，目前主要用于光电显示以及冷光源照明。1995年，已报道一种利用ZnS:Mn材料的交流薄膜电致发光陶瓷灯的寿命可达10⁴小时。利用某些电致发光材料的发光亮度与外加电场或电压之间的相关性，已有基于电致发光效应的光学电压或电场传感器研究，例如利用ZnS:Mn和SiC电致发光材料的工频电场传感器。宁叔帆，于昕哲，徐阳等在2006年10月公开的西安交通大学学报中，提出了利用SiC电致发光特性在线测量防晕层表面电场分布，但该方法并不适合直接应用到电力系统的电压测量中。公开号为102752893A的中国专利申请在2012年10月24日公开了一种用于高电压测量的电致发光显示器件，使用了电致发光材料层，在使用时根据产生的不同亮度的光对应的标记文字，来确定电压数值范围，但该方法实现了对电压等级的显示，并不能实现对被测电压的准确测量。但目前利用电致发光线以及块状电致发光材料的光学电压传感器尚未见相关文献报道。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决目前光学电压传感器所用的光源问题，提出一种基于电致发光效应的光学电压传感器，并设计了利用电致发光线状和块状两种结构的电压传感头，实现了工频电压有效值的绝缘性测量。

本发明提供的基于电致发光效应的光学电压传感器，包括两个平行电极，电致发光材料加工成的电致发光层，多模光纤以及光电检测电路；电致发光层处于两个平行电极之间，电致发光层的电致发光材料断面或者表面连接多模光纤的一端，多模光纤的另一端连接光电检测电路。两个平行电极引入电场，电致发光材料产生发光。

平行电极和电致发光层的第一种结构为：两个平行电极分为内电极和外电极，都由金属丝构成，作为内电极的金属丝表面均匀地紧密包裹电致发光层，电致发光层的外部缠绕作为外电极的另一金属丝。内电极金属丝比外电极金属丝粗。两个平行电极和电致发光层的外部紧密包裹一层透明塑料保护层，从而形成电致发光线。通过在固体绝缘材料上钻两个互相垂直且互相连通的孔，将电致发光线和多模光纤分别插入两个孔中并固定，实现电致发光线与多模光纤的光耦合。

平行电极和电致发光层的第二种结构为：两个平行电极分为内电极和外电极，内电极为能够承载一定电流的圆形金属导线，其表面均匀、紧密包裹电致发光层，电致发光层的外部均匀、紧密包裹外电极，外电极可由一层透明导电薄膜构成，例如是能透光的铟锡氧化物（ITO）薄膜电极，外电极也可以由一层金属薄膜构成。外电极的外部紧密包裹一层透明塑料保护层，从而形成电致发光线。通过在固体绝缘材料（PVC塑料）上钻两个互相垂直且互相连通的孔，将电致发光线和多模光纤分别插入两个孔中并固定，实现电致发光线与多模光纤的光耦合。当外电极为金属薄膜构成时，为了将电致发光耦合到多模光纤内，在与多模光纤端面正对的外电极处开一个与多模光纤芯直径相等的圆孔。

平行电极和电致发光层的第三种结构为：所述的电致发光层和两个平行电极均加工成直径相等的圆片状，单层片状的电致发光层的上下表面分别紧密粘贴两个金属片电极。

本发明的优点与积极效果在于：（1）传感信号由光纤传输，能够实现电压或电场的远距离绝缘测量。（2）不需要独立的工作光源，不但能够减小传感器电功率损耗，而且可以有效避免传统光学电压传感器中光源特性不稳定对电压传感性能的影响。（3）采用电致发光线状传感头结构，便于直接与输电线连接，在线测量输电线缆上的电压。（4）结构简单、成本低、体积小、重量轻、使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的基于电致发光效应的光学电压传感器的第一实施例示意图；

图2是本发明的基于电致发光效应的光学电压传感器的第二实施例示意图；

图3是本发明的基于电致发光效应的光学电压传感器的第三实施例示意图；

图4是采用图1所示的光学电压传感器进行电压测量实验测得的光电探测器开路电压与被测工频电压有效值实验数据图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的光学电压传感器的基本测量机理如下：

一般粉末材料和薄膜型电致发光器件的发光亮度B与外加电压之间的关系为：

B＝B₀exp[-(V₀/u)^0.5]     （1）

其中，u为电致发光材料的外加电压，B₀和V₀是与材料相关的常数。将此电致发光由光纤传输到光电探测器（简称PD）并测量其亮度，根据（1）式即可获得被测电压信息。假设PD接收到的光功率P与发光亮度B成正比，即

P=kB     （2）

式中k为与光耦合与传输有关的比例系数。

光功率P的测量可以采用光电流-电压线性变换与放大的方法，此时传感器输出电压u_o与光功率P以及发光亮度B成正比。也可选用PD的开路电压u_oc作为传感器输出信号，即

$u_{\mathrm{oc}}=\frac{k_{B}T}{e}\ln \frac{C_{0}P}{I_{\mathrm{rs}}}---\left(3\right)$

其中，k_B为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，e为电子电荷量，I_rs为PD的反向饱和电流，C₀为常数。将式（1）、（2）代入到式（3）中可得：

$u_{\mathrm{oc}}=\frac{k_{B}T}{e}\ln k_1-\frac{k_{B}T}{e}\sqrt{\frac{V_0}{u}}---\left(4\right)$

式中系数 $k_1=\frac{C_{0}k{B}_0}{I_{\mathrm{rs}}}.$

引入常数V₁，对式（4）中的u^-0.5进行线性化变换： $\sqrt{\frac{1}{u}}=\frac{u^{-\frac{1}{2}}}{{V_1}^{-\frac{1}{2}}}{V_1}^{-\frac{1}{2}}={(\frac{u}{V_1}-1+1)}^{-\frac{1}{2}}{V_1}^{-\frac{1}{2}}.$

令x=(u/V₁-1)，并利用幂级数展开公式(1+x)^k=1+kx+o(x)展开上式，忽略高阶小项o(x)，并代入式（4）可得，

u_oc≈mu+n     （5）

式中 $m=\frac{k_{B}T}{2V_{1}e}\sqrt{\frac{V_0}{V_1}}$ 和 $n=\frac{k_{B}T}{e}(\ln k_1-\frac{3}{2}\sqrt{\frac{V_0}{V_1}})$ 均为常数。

由式（5）可知，在一定电压范围内，PD的开路电压u_oc与电致发光材料的外加电压u之间存在近似线性关系。此近似线性范围可由上述小变量x的取值以及允许的非线性误差来确定。例如，可考虑|x|<a，a为一个小的常数，则可由-a<x=u/V₁-1<a得到近似线性测量范围为：

(1-a)V₁<u<(1+a)V₁     （6）

可见，经合理近似计算，在一定电压范围内，开路电压u_oc与被测电压u近似成线性关系。

测量不同等级电压（场），应选择不同种类的电致发光材料、合理设计电致发光层的厚度及其结构。

通过选用不同种类的电致发光材料，可以实现不同类型电压的传感与测量，例如直流电压传感应选用ZnS:Mn材料，交流电压传感应选用ZnS:Cu材料等。

本发明利用电致发光材料的发光强度与外加电压之间的关联作用实现电压的传感与测量。本发明提供的基于电致发光效应的光学电压传感器包括两个平行电极，电致发光材料加工成的电致发光层，多模光纤以及光电检测电路。电致发光材料形成的电致发光层处于两个平行的平行电极中间，电致发光材料断面与多模光纤的一端连接，或者电致发光材料表面与多模光纤的一端连接。多模光纤的另一端连接光电检测电路。

如图1所示，为本发明光学电压传感器的第一实施例。第一实施例选用电致发光线作为电致发光元件和电压传感头。两个平行电极都由金属丝构成，分为位于中心位置的内电极和外围的外电极，内电极金属丝比外电极金属丝粗。内电极金属丝表面包裹一层电致发光材料，电致发光材料外部缠绕外电极金属丝。两个平行电极加入电场，电致发光材料产生发光，电压传感信号光由多模光纤传输到光电检测电路。第一实施例中的电致发光线的结构由里到外，包括铜丝、电致发光层、金属丝和塑料保护层。交流电压传感的电致发光层的材料主要是由直径为5-30μm的ZnS:Cu粉末微晶颗粒组成。图1中，铜丝位于电致发光线的中心，为内电极，外电极为某一金属丝。传光用的多模光纤可用塑料光纤。为了实现电致发光线与多模光纤耦合，多模光纤例如是塑料光纤，在一块固体绝缘材料如聚氯乙烯（PVC）上，钻两个互相垂直且互相连通的孔，分别插入电致发光线和塑料光纤，并固定位置。在电致发光线上加电压后，发光线发出的光耦合进塑料光纤并传输到光电检测电路。光电检测电路中采用Si-PIN型光电二极管作为光电探测器，通过测量光电探测器的开路电压获得被测电压信号。

在一定幅值的工频电压作用下，上述电致发光线可产生中心波长约为525nm的可见光，将此电致发光用塑料光纤传输到光电探测器，则探测器的开路电压与被测电压有效值之间具有近似线性关系。

采用如图1所示的实验装置，选用的电致发光线长度约为2cm。工频市内用电通过自耦调压器和升压变压器变换后接入电致发光线的两个电极作为被测电压，其有效值变化范围为0～5000V，在750V范围内，由万用表（优利德UT39E型）交流750V档测量；PD的开路电压u_oc用万用表（优利德UT58E型）直流200mV档测量。测量了PD的开路电压u_oc随被测电压u有效值变化的关系，一组典型实验数据及其线性拟合结果如图4所示，由图可见，电致发光线发光的阈值电压约为80V，发光后u_oc随被测电压u线性变化，与上述公式（5）一致，且电压增大和电压减小测量过程的实验数据重复性较好。对被测电压有效值为100-500V范围内的实验数据进行了线性拟合，拟合结果为u_oc≈0.01082u-0.31355(mV)，电压灵敏度约为10.8μV/V，其非线性误差低于1.8％。此外，实验测量了传感器输出在室温下的静态稳定性，当输入电压有效值固定为200V时，u_oc在90分钟内电压波动幅度约为±0.025mV，表明传感器具有较好的静态稳定性。可见，利用长度为2cm的电致发光线测量100V~500V的工频电压有效值，具有较好的线性响应特性，即实验证明本发明实施例一所述的光学电传感器能够实现对电压有效值的传感与测量。

如图2所示，为本发明光学电压传感器的第二实施例。与实施例一不同的是，其内电极较粗，可以承载一定大小的电流，其内电极直径由待测电压的被接入电缆的实际电流大小来确定；其外电极为圆形金属或ITO薄膜，可以使得电致发光层内电场分布更加均匀。电致发光层的厚度由待测电压来确定。当外电极为金属薄膜时，为了将电致发光耦合到光纤内，应在与光纤端面正对的外电极处开一个与光纤芯直径相等的小圆孔。同样，第二实施例中的平行电极和电致发光层的外部紧密包裹一层透明塑料保护层，从而形成电致发光线。通过在固体绝缘材料（（PVC塑料）上钻两个互相垂直且互相连通的孔，将电致发光线和多模光纤分别插入两个孔中并固定，实现电致发光线与多模光纤的光耦合。在电致发光线上加电压后，发光线发出的光耦合进塑料光纤并传输到光电检测电路。光电检测电路中采用Si-PIN型光电二极管作为光电探测器，通过测量光电探测器的开路电压获得被测电压信号。

如图3所示，为本发明光学电压传感器的第三实施例。第三实施例中利用设计成圆片状的电致发光材料形成电压传感元件，并通过设置电致发光层的厚度实现不同等级电压的测量。本实施例中两个平行电极和电致发光层均加工成直径相等的圆片状，两个金属片作为两个平行电极，圆片状的电致发光材料作为电致发光层，电致发光层的上下两个表面分别粘贴两个电极，利用一块固体绝缘材料将圆片状电致发光层、两个金属电极和多模光纤固定在一起，电致发光层所发出的光直接耦合进入多模光纤。在加工时，可在金属片的一侧表面涂覆一层电致发光材料，在电致发光材料的另一侧表面粘结另一金属片，两个平行电极加入电场，电致发光材料产生发光。电致发光层的厚度应根据被测电压幅值大小以及所用多模光纤的芯径来确定。在电致发光线上加电压后，发光线发出的光耦合进塑料光纤并传输到光电检测电路。光电检测电路中采用Si-PIN型光电二极管作为光电探测器，通过测量光电探测器的开路电压获得被测电压信号。

本发明上述三个实施例中采用多模光纤传输光传感信号，所用多模光纤可以是塑料光纤或大芯径玻璃光纤。多模光纤芯的直径与电致发光层的厚度相匹配，当被测电压幅值在1000V以内，电致发光层的厚度为1mm时，多模光纤芯的直径选为1mm。

经过实验，本发明提供的光学电压传感器，能实现电压或电场的远距离绝缘测量，且不需要独立的工作光源，减小了传感器电功率损耗，避免了光源特性不稳定对电压传感性能的影响。

Claims (3)

1.一种基于电致发光效应的光学电压传感器，其特征在于：采用电致发光线作为电压传感元件，通过测量光电探测器的开路电压获得被测电压信号，从而实现电压的线性测量；所述的光学电压传感器包括两个平行电极，电致发光材料加工成的电致发光层，多模光纤以及光电检测电路；电致发光层处于两个平行电极之间，两个平行电极引入电场，电致发光材料产生发光；电致发光层的电致发光材料的断面或者表面连接多模光纤的一端，多模光纤的另一端连接光电检测电路；

所述的两个平行电极和电致发光层的外部加工上塑料保护层形成电致发光线；平行电极和电致发光层通过一块固体绝缘材料与多模光纤固定在一起；通过在固体绝缘材料上钻两个互相垂直且互相连通的孔，将电致发光线和多模光纤插入两个孔中并固定，实现电致发光线与多模光纤的光耦合；

所述的两个平行电极分别为内电极和外电极，平行电极和电致发光层有如下两种结构：

(1)内电极和外电极都是圆形金属丝，位于中心的内电极表面均匀地紧密包裹电致发光层，电致发光层的外部缠绕作为外电极的另一金属丝，内电极比外电极粗；

(2)内电极为能够承载一定电流的圆形金属丝，内电极表面均匀包裹电致发光层，电致发光层的外部紧密包裹外电极，外电极由一层透明导电薄膜构成或者由金属薄膜构成；当外电极为金属薄膜构成时，在与多模光纤端面正对的外电极处开一个与多模光纤芯直径相等的圆孔。

2.根据权利要求1所述的光学电压传感器，其特征在于：所述的多模光纤为塑料光纤或大芯径玻璃光纤，多模光纤芯的直径与电致发光层的厚度相匹配，当被测电压幅值在1000V以内，电致发光层的厚度为1mm时，多模光纤芯的直径选为1mm。

3.根据权利要求1所述的光学电压传感器，其特征在于：光电检测电路中采用Si-PIN型光电二极管作为光电探测器。