CN103777085A - 基于衍射mems的高压环境光纤交流电场电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种光纤交流电场或电压传感系统，适合在高电压环境下应用，尤其是在靠近高压电力线处应用。该系统基于衍射MEMS器件，一个放置在电场中的电容天线馈送电压信号到衍射MEMS器件，然后该器件调制通过它的光信号。光接收器根据接收到的光信号计算出电场强度。

Description

基于衍射MEMS的高压环境光纤交流电场电压传感器

一，技术领域

本发明涉及光传感器，特别是涉及对电场或电压敏感的一类光传感器，也涉及含有这类光传感器而用于电场/电压测量的系统。

二，背景技术

在高压电行业，测量电流电压是非常重要的，但测量又是困难的。传统的电流电压变压器的绝缘总是个问题，为了解决绝缘问题，结果是这些变压器又贵又笨重。在高压系统的维保中，人们渴望有轻便可携带的电流电压测量设备。然而，由于笨重，传统的高压电流或电压互感器不能做成便携式设备。

近几年来，人们发明了光纤传感器。因为光纤本身是很好的绝缘体，所以光纤传感器自然非常适合在高压环境中使用。实际上，光纤电流传感器和电压电场传感器已经被研发生产出来，并在高电压行业使用。它们的优点超过了传统的电流电压变压器，包括：

1，良好的绝缘保证了操作人员的安全；

2，不需要绝缘油或SF6绝缘气体；

3，没有电磁干扰；

4，可以做成便携式的传感器。

当前，绝大部分光纤电场传感器是利用电光晶片中的光偏振旋转效应，最常用的是普克尔斯盒，或铌酸锂晶体。一种典型的基于铌酸锂晶体的电场传感器是由光源，二根光纤，一个起偏器和一个带有光波导的铌酸锂晶体和偏振分束器组成。

一个光源发射光功率进入光纤，光纤把光引入起偏器。在光线进入铌酸锂波导器件前，起偏器把光线变成线性偏振光。一个偶极子天线拾取电场，并把它转换成电压。该电压施加到波导器件的电极上，使得通过光波导的光的偏振态产生旋转。偏振分束器将光束分成两个正交偏振态输出，由相应的光接收器接收。从接收到的信号，能够计算加在铌酸锂波导器件上的电压，然后可以计算出电场强度。

这个电场强度传感器是基于在电光晶体内的偏振旋转效应。然而，除了加在晶体上的电压外，还有许多其他因素影响电光晶体的偏振特性，如：应变、温度、老化，等。制作高精度和高可靠的电场强度传感器仍然是人类面临的挑战。

三.发明内容

本发明描述的是一种新的用光纤在高压环境中测量电场强度的方法，它利用了衍射微电子机械系统装置(简称MEMS)。

衍射MEMS装置广泛应用于光通讯设备，其中一种形式是MEMS装置作为可变光衰减器(简称VOA)使用。在VOA上加一个电压时，VOA的光衰减量产生变化。因此，当输入的光保持一个恒量时，光的通过量将被控制。这种类型VOA的一些有用特性是：1，它对所加的电压响应很快，在几十微秒的量级，对于常见的50或60Hz信号是足够快的；2，对输入光的偏振态不敏感；3，对机械振动不敏感；4，它是一个电压驱动器件，几乎不消耗电流。所以，可以用于探测电场；5，它非常耐用，其磨损寿命超过1000亿次，在50/60Hz连续工作可以超过50年，而普通的MEMS VOAs磨损寿命只有1000万次。

一个现有技术是使用衍射MEMS器件的交流电流传感器。把一个空气芯线圈安装在载流导体周围，这个线圈把交流磁场转变为交流电压。然后这个交流电压驱动衍射MEMS器件，于是通过这个器件的光信号被调制，光接收机把经过调制的光信号转换为电信号，因此可以测量出导体中的交流电流。

本发明提出了一种新的方法和装置，用基于衍射MEMS器件在高电压环境中测量交流电场强度和电压。这个电场的强度/电压测量系统包括一个光源，一个衍射MENS传感器头，一个光接收器，连接光源和传感器头以及连接传感器头和光接收器的光纤。光源发出稳定的光到传感器头，在传感器头内的衍射MEMS器件连接到一个电容性天线，该天线位于交流电场中并将交流电场转换为电压。该电压驱动衍射MEMS器件，光信号通过这个衍射MEMS装置被调制。光接收器转换光信号为电信号，就可测量出电场。

在另一种应用中，基于衍射MEMS的传感器头连接到一个电压分压器，而此电压分压器连接到一个交流电压。从光接收器的输出端可以测量这个交流电压。这里的电压分压器可以是电阻性的也可以是电容性的。

四，附图说明

图1表示一种典型的光衰减量与衍射MEMS VOA上所加电压关系的曲线。

图2表示基于衍射MEMS VOA的交流电场强度传感器的第一优选实施方案。

图3表示基于衍射MEMS VOA的交流电场强度传感器的第二优选实施方案。在这一优选实施方案中，衍射MEMS VOA加了直流偏置。

图4表示第三优选实施方案，这是使用电容分压器的，基于衍射MEMS的交流电压传感器。

图5表示第四优选实施方案，这是使用电阻分压器的，基于衍射MEMS的交流电压传感器。

具体实施方式

本发明介绍了一种新的方法，在高压环境下利用光纤耦合衍射MEMS器件测量电场强度或电压。和现有的用电光晶体产生光信号的偏振旋转的技术相比，本发明提供了一种更简单和更便宜的解决方案。在一种形式中，衍射MEMS器件被做成一个可变光学衰减器VOA，当一个电压施加到这个VOA时，它就改变了通过它的光信号衰减量。这种类型的VOA对于所施加的电压的响应时间在几十微秒内，对驱动电压具有高的的电阻抗，并且产生30db的光衰减所需的驱动电压不超过6伏。这些特点使这种类型的VOA对于频率高达到1kHz的交流信号仍有响应。

衍射MEMS VOA连接到偶极/电容性天线就构成一个光纤交流电场强度传感器。衍射MEMSVOA也能够连接到电容性或电阻性的分压器构成一个光纤交流电压传感器。

第一种实施方案

如图2所示，在第一个实施方案中，把VOA203连接到一个不带直流偏置电压的电容性天线202。VOA在零直流偏置下工作，它的光调制和交流驱动电压之间不是线性关系。图2显示光接收器205的电信号输出。因为没有VOA的直流偏置，输出的电信号具有驱动交流电压208二倍的重复频率。

第二种实施方案

如图3所示，在第二个实施方案中，用衍射MEMS VOA303测量交流电场。通过电阻(一般是兆欧级的)307给VOA加上几伏的直流偏置电压306.电容天线302连接到VOA，直流电压决定了VOA的工作点，工作点应是光调制深度与驱动电压线性关系最好的电压。电容天线把交流电场转换成交流电压，交流电压驱动VOA，这样光信号通过VOA时就被交流电压调制。光接收器305接收到这个调制的光信号，并把光信号转换成电信号。图3展示了输出的电信号309，电信号与被测的电场强度308成正比。

第三种实施方案

如图4所示，在第三个实施方案中，VOA404连接到电容性的电压分压器402，电压分压器连接到交流高压导线401。分压器提供一个低压交流电驱动VOA，从VOA的光输出就可以测量高压导线上的交流电压。

第四种实施方案

如图5所示，在第四个实施方案中，VOA504连接到电阻性的电压分压器502，电压分压器连接到高压导线501，分压器提供一个低压交流电驱动VOA，从VOA的光输出就可以测量高压导线上的交流电压。

Claims (4)

1.一个基于衍射微电子机械系统可变光衰减器MEMSVOA(Micro-Electro-MechanicalSystem Variable Optical Attenuator)的，用于在高电压环境中探测交流电场强度或电压的光交流电场或交流电压传感器，包含：

一个具有稳定连续光波输出的光源；

一个把交流电场转换成交流电压信号的电容天线；

一个连接到电容天线并调制输入连续光波信号的衍射MEMS器件；

一个把接收到的光信号转变为电信号的光接收器。

2.根据权利要求1，一个光交流电场强度传感器具有一个电路：

这个电路将一个直流偏置电压和如上所述的电容天线提供的交流电压信号合并；

这个电路将电信号供给如上所述的衍射MEMS VOA；

这个电路包括热敏电阻，用来补偿权利要求一所述的衍射MEMS VOA调制深度的温度漂移。

3.一个基于MEMS VOA的光交流电压传感器由以下部分组成：

一个具有稳定连续波输出的光源；

一个电压分压器提供一个降低的电压；

一个衍射MEMS装置连接到这个电压分压器，并调制输入的连续光波信号。

4.根据权利要求3，一个分压器是一个电阻性的电压分压器或电容性的电压分压器。

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