CN112098706B - 一种电压传感器及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种电压传感器及工作方法，属于传感器技术领域，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间；输入电压通过形成的电容结构调节二维材料表面载流子的浓度，使二维材料化学势发生的变化，引起二维材料对特定波长激光吸收率的变化，通过吸收率和电压间对应关系，实现稳定性更高且抗干扰能力更强的电压测量。
Description
技术领域
本公开涉及传感器技术领域，特别涉及一种电压传感器及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
光纤电压测量系统利用光纤完成信号的传输，利用晶体特定的物理效应来感应电压，其具有抗电磁干扰，防燃、防爆、耐高压等特点。
电压传感器的基本工作原理基本是根据功能材料的特定物理效应如泡克尔斯(Pockels)效应、电光克尔(Kerr)效应以及逆压电效应等。Pockels效应是指某些晶体在外加电场作用下导致其入射光折射率改变的一种线性电光效应，其表达式为：
Δn＝K1E
Δn为入射光的折射率，E为外加电场的强度，K1为常数。这种折射率的变化将使沿某一方向入射晶体的偏振光产生电光相位延迟，且延迟量与外加电场强度成正比，具有这种效应的晶体称为Pockels晶体或线性电光晶体，常用于光纤电压测量系统的主要有于锗酸铋晶体。
Kerr效应是指某些晶体在外加电场作用下导致其入射光折射率改变的二次电光效应，其表达式为：
Δn＝K2E2
Δn为入射光的折射率，E为外加电场的强度，K2为常数。介质中Δn的出现将引起通过其中的光波偏振态的变化，通过检测光波偏振态得到被测电场。
逆压电效应是指当压电晶体受到外加电场作用时晶体除了产生极化现象以外同时形状也将产生微小变化。将逆压电效应引起的晶体形变转化为光信号的调制并检测光信号则可实现电场或电压测量。
本公开发明人发现，目前基于以上原理制成的电压传感器，光路复杂，光学元件多，因而校准困难，成本高，无法进行大批量的生产，面对多种复杂环境时的工作性能和运行的稳定性较差。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种电压传感器及工作方法，结构简单，抗干扰能力强，具有体积小和稳定性高的特点。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种电压传感器。
一种电压传感器，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；
所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间。
作为可能的一些实现方式，还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳。
作为可能的一些实现方式，所述二维材料为石墨烯。
作为可能的一些实现方式，所述波导元件为光纤。
本公开第二方面提供了一种电压传感器，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；
两层二维材料均与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体设置在两层二维材料之间，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，且导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构；波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间。
作为可能的一些实现方式，还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳。
作为可能的一些实现方式，所述二维材料为石墨烯。
作为可能的一些实现方式，所述波导元件为光纤。
本公开第三方面提供了一种电压传感器。
一种电压传感器，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；
所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间，且所述二维材料与波导元件贴合。
作为可能的一些实现方式，还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳。
作为可能的一些实现方式，所述二维材料为石墨烯。
作为可能的一些实现方式，所述波导元件为光纤。
本公开第四方面提供了一种电压传感器。
一种电压传感器，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；
两层二维材料均与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，导体设置在两层二维材料之间，且导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构；波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间，且两层二维材料分别与两路波导元件贴合。
作为可能的一些实现方式，所述二维材料为石墨烯。
作为可能的一些实现方式，所述波导元件为光纤。
本公开第五方面提供了一种电压传感器。
一种电压传感器，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；
所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述二维材料设置在两路波导元件之间，所述导体与波导元件的外侧贴合。
作为可能的一些实现方式，还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳。
作为可能的一些实现方式，所述二维材料为石墨烯。
作为可能的一些实现方式，所述波导元件为光纤。
作为可能的一些实现方式，所述导体分为两部分，分别与两路波导元件贴合。
本公开第六方面提供了一种电压传感器。
一种电压传感器，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；
所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，两层二维材料均设置在两路波导元件之间，所述导体与波导元件的外侧贴合。
作为可能的一些实现方式，还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳。
作为可能的一些实现方式，所述二维材料为石墨烯。
作为可能的一些实现方式，所述波导元件为光纤。
作为可能的一些实现方式，所述导体分为两部分，分别与两路波导元件贴合。
本公开第七方面提供了一种电压传感器的工作方法，利用本公开所述的电压传感器，包括以下步骤：
输入电压通过石墨烯与导体之间电容结构，调节石墨烯载流子的浓度，使石墨烯电子化学势发生的变化，引起石墨烯对测量单色激光吸收率的变化；
通过输出光功率的变化，得到传感器对光的吸收率，通过传感器光吸收率和电压的对应关系，实现电压测量。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的电压传感器及方法，输入电压通过形成的电容结构调节二维材料表面载流子的浓度，使二维材料化学势发生的变化，引起二维材料对特定波长激光吸收率的变化，通过吸收率和电压间对应关系，实现稳定性更高且抗干扰能力更强的电压测量。
2、本公开所述的电压传感器及方法，波导材料导引光的传播，通过分光臂等结构加强光与二维材料的作用，二维材料被波导材料包裹或贴合在波导材料表面，通过延长通过波导材料的光波与二维材料作用时间与距离、作用次数等方式，增强了与二维材料的作用强度，提高了电压测量的精度和敏感性。
3、本公开所述的电压传感器及方法，通过多层不同掺杂浓度二维材料与测量光作用，极大的改善了二维材料电压作用下光吸收的非线性。
4、本公开所述的电压传感器及方法，具有高频抑制吸收特性，射入传感器的高频率的光波可抑制传感器对低频率光波的吸收。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的电压传感器的结构示意图。
图2为本公开实施例2提供的电压传感器的结构示意图。
图3为本公开实施例3提供的电压传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
石墨烯是最具有代表性的二维材料，本实例以石墨烯作为传感器中的二维材料为例说明本公开的实施方案。
石墨烯对光的吸收能力具有可以随着载流子浓度的变化而变化，而石墨烯材料的载流子浓度可以通过化学掺杂或外加偏置电压所调控，因而石墨烯的光吸收能力可以电学可控。
可以理解的，在其他一些实现方式中，本实施例所述的二维材料也可以是纳米薄膜、超晶格、量子阱等其他二维材料，本领域技术人员可以根据具体情况进行替换。
如图1所示，本公开实施例1提供了一种电压传感器，包括两层不同掺杂浓度的石墨烯、导体、电极、电磁屏蔽壳及波导材料。
两层不同掺杂浓度的石墨烯通过良性导电材料连接至同一电极，另一电极与导体相连，导体与石墨烯间绝缘；
电磁屏蔽壳包裹在传感器外，以屏蔽外界电磁场对传感器的影响；
波导材料导引光的传播，通过分光双臂结构加强光与石墨烯的作用，石墨烯被波导材料夹在波导材料中间，同时波导材料起到石墨与另一极导体间绝缘的作用。
本实施例所述的波导材料具体为光纤。
本实施例所述的一层石墨烯，指的是一层单原子石墨烯。
两层石墨烯一层为P掺杂石墨烯，另一层为N掺杂石墨烯，其化学势相反。通过P掺杂和N掺杂两层石墨烯与通过光的作用，可以改善石墨烯电压作用下光吸收的非线性。
波导分光双臂将射入的光按照1:1分成两束光，分别与P掺杂和N掺杂石墨烯作用。
本实施例所述的电压传感器的电压测量范围存在一定的敏感区，其范围与导体与二维材料间电容大小、测量光波长及二维材料的能带结构等参数有关，可以通过调节导体与二维材料间的电容大小或者测量光波长或者更换二维材料进行敏感区变换。
本实施例所述的电压传感器的基本原理为：输入电压通过石墨烯与导体之间电容结构，调节石墨烯载流子的浓度，使石墨烯电子化学势发生的变化，引起石墨烯对测量单色激光吸收率的变化。通过输出光功率的变化，可得到传感器对光的吸收率，而传感器光吸收率和电压存在一定的对应关系，从而实现电压测量。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种电压传感器，将两层石墨烯变换为一层石墨烯，即去除实施例1中的一层石墨烯，其他结构与实施例1中的相同，这里不再赘述。
实施例3：
如图2所示，本公开实施例3提供了一种电压传感器，其包括两层不同掺杂浓度的石墨烯、导体、电极、电磁屏蔽壳及波导材料。
两层不同掺杂浓度的石墨烯通过良性导电材料连接至同一电极，另一电极与导体相连，导体与石墨烯间绝缘；电磁屏蔽壳包裹在传感器外，以屏蔽外界电磁场对传感器的影响；波导材料导引光的传播，通过分光双臂结构，分别与两片石墨烯进行作用；石墨烯紧密贴合在波导材料的外表面，通过延长通过波导材料的光波与二维材料作用时间与距离、作用次数等方式，增强与二维材料的作用强度。
本实施例所述的波导材料具体为光纤。
本实施例所述的一层石墨烯，指的是一层单原子石墨烯。
两层石墨烯一层为P掺杂石墨烯，另一层为N掺杂石墨烯，其化学势相反。通过P掺杂和N掺杂两层石墨烯与通过光的作用，可以改善石墨烯电压作用下光吸收的非线性。
波导分光双臂将射入的光按照1:1分成两束光，分别与P掺杂和N掺杂石墨烯作用。
本实施例中，通过石墨烯与光在波导表面形成的倏逝波作用，实现光的吸收衰减，从而进行电压测量。
本实施例所述的电压传感器的电压测量范围存在一定的敏感区，其范围与导体与二维材料间电容大小、测量光波长及二维材料的能带结构等参数有关，可以通过调节导体与二维材料间的电容大小或者测量光波长或者更换二维材料进行敏感区变换。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电压传感器，将两层石墨烯变换为一层石墨烯，即去除实施例3中的一层石墨烯，其他结构与实施例3中的相同，这里不再赘述。
实施例5：
如图3所示，本公开实施例5提供了一种电压传感器，其包括两层不同掺杂浓度的石墨烯、导体、电极、电磁屏蔽壳及波导材料。
两层不同掺杂浓度的石墨烯通过良性导电材料连接至同一电极，同时，两导体链接至另一极，导体与石墨烯间绝缘；电磁屏蔽壳包裹在传感器外，以屏蔽外界电磁场对传感器的影响；波导材料导引光的在波导内传播；石墨烯夹在波导材料中间。
两层石墨烯一层为P掺杂石墨烯，另一层为N掺杂石墨烯，其化学势相反，通过P掺杂和N掺杂两层石墨烯与通过光的作用，可以改善石墨烯电压作用下光吸收的非线性。波导传播的光同时与P掺杂和N掺杂石墨烯作用。
本实施例所述的一层石墨烯，指的是一层单原子石墨烯。
传感器输入电压调节电容电荷聚集，进而调节石墨烯载流子的浓度，使石墨烯电子化学势发生的变化，引起石墨烯对特定波长激光吸收率的变化，从而实现电压测量。
本实施例所述的电压传感器的电压测量范围存在一定的敏感区，其范围与导体与二维材料间电容大小、测量光波长及二维材料的能带结构等参数有关，可以通过调节导体与二维材料间的电容大小或者测量光波长或者更换二维材料进行敏感区变换。
实施例6：
本公开实施例6提供了一种电压传感器，将两层石墨烯变换为一层石墨烯，即去除实施例5中的一层石墨烯，其他结构与实施例5中的相同，这里不再赘述。
实施例7：
本公开实施例7提供了一种电压传感器的工作方法，利用实施例1-6任一项所述的电压传感器，具体为：
输入电压通过石墨烯与导体之间电容结构，调节石墨烯载流子的浓度，使石墨烯电子化学势发生的变化，引起石墨烯对测量单色激光吸收率的变化；
通过输出光功率的变化，得到传感器对光的吸收率，通过传感器光吸收率和电压的对应关系，实现电压测量。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电压传感器，其特征在于，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；
所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间；
还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳；
所述二维材料为石墨烯；所述波导元件为光纤。
2.一种电压传感器，其特征在于，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；
两层二维材料均与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体设置在两层二维材料之间，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，且导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构；波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间；
还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳；
所述二维材料为石墨烯；所述波导元件为光纤。
3.一种电压传感器，其特征在于，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；
所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间，且所述二维材料与波导元件贴合；
还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳；
所述二维材料为石墨烯；所述波导元件为光纤。
4.一种电压传感器，其特征在于，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；
两层二维材料均与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体设置在两层二维材料之间，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，且导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构；波导元件分成两路，所述导体和二维材料均设置在两路波导元件之间，且两层二维材料分别与两路波导元件贴合；
还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳；
所述二维材料为石墨烯；所述波导元件为光纤。
5.一种电压传感器，其特征在于，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和至少一层二维材料；
所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，所述二维材料设置在两路波导元件之间，所述导体与波导元件的外侧贴合；
还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳；
所述二维材料为石墨烯；所述波导元件为光纤；所述导体分为两部分，分别与两路波导元件贴合。
6.一种电压传感器，其特征在于，包括导体、第一电极、第二电极、波导元件和两层二维材料；
所述二维材料与第一电极连接，所述导体与第二电极连接，两层二维材料分别为P型掺杂和N型掺杂，导体与二维材料之间绝缘，二维材料与导体间形成电容结构，波导元件分成两路，两层二维材料均设置在两路波导元件之间，所述导体与波导元件的外侧贴合；
还包括电磁屏蔽壳，所述二维材料和导体均设置在电磁屏蔽壳内，且所述波导元件穿越电磁屏蔽壳；
所述二维材料为石墨烯；所述波导元件为光纤；所述导体分为两部分，分别与两路波导元件贴合。
7.一种电压传感器的工作方法，其特征在于，利用如权利要求1-6任一项所述的电压传感器，包括以下步骤：
输入电压通过石墨烯与导体之间电容结构，调节石墨烯载流子的浓度，使石墨烯电子化学势发生的变化，引起石墨烯对测量单色激光吸收率的变化；
通过输出光功率的变化，得到传感器对光的吸收率，通过传感器光吸收率和电压的对应关系，实现电压测量。
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