一种新型膜片结构的交流高电压传感器及测量方法技术

本发明专利技术涉及交流高压在线监测和零值绝缘子电压测量技术领域，尤其涉及一种新型膜片结构的交流高电压传感器及测量方法，包括高压电极、FP传感器电极、FP传感单元、微调器、底座、光纤和玻璃套管。高压电极与FP传感器电极上下同轴设置，且两者之间保持一定间距，FP传感器电极上开设有轴心阶梯孔，微调器安装在轴心阶梯孔的下部，FP传感单元粘结在微调器端面中心处，光纤依次穿过底座和微调器的中心通孔进入FP传感器，本发明专利技术提出一种采用MEMS技术加工的蛇形结构的光纤法‑珀高压交流电压测量方法，为交流高压在线监测和零值绝缘子电压测量等提供新的检测技术，在高压交流电压测量中灵敏度更高。

【技术实现步骤摘要】
一种新型膜片结构的交流高电压传感器及测量方法
本专利技术涉及交流高压在线监测和零值绝缘子电压测量
，尤其涉及一种新型膜片结构的交流高电压传感器及测量方法。
技术介绍
目前，高电压测量方法主要有电阻分压器的直流高压测量方法、阻容分压的交流高压测量方法和静电电压表的交直流高压测量方法。而在交流高压测量中，广泛使用电磁式电压互感器PT(PotentialTransducer)和电容分压式电压互感器CVT(CapacitorVoltageTransducer)，这两类电压互感器在高压和超高压测量时存在绝缘困难，铁芯磁饱和，容易受到温度影响，铁磁谐振抑制困难和高低压信号可能互相干扰等问题。静电电压表在测量过程中有着极大的内阻抗，输出信号和输入信号之间不会相互影响，因此静电电压表的电压测量方法在高电压领域有着一定的应用范围。以光纤电压互感器为代表的光学测量方法能够解决上述问题，且在测量精度，频率响应、体积大小、安全和环保等方面独具优势。
技术实现思路
本专利技术克服了上述现有技术的不足，提出一种基于微机械加工(MEMS)技术的新型膜片结构的交流高电压传感器及测量方法。本专利技术的技术方案：一种新型膜片结构的交流高电压传感器，包括高压电极、FP传感器电极、FP传感单元、微调器、底座、光纤和玻璃套管；所述高压电极与FP传感器电极上下同轴设置，且两者之间保持一定间距，所述FP传感器电极安装在底座上，所述底座与高压电极之间安装有玻璃套管，所述FP传感器电极上开设有轴心阶梯孔，所述微调器安装在轴心阶梯孔的下部，FP传感单元粘结在微调器端面中心处，FP传感单元位于轴心阶梯孔的上部；所述PF传感单元包括硅片、硅片基座和光纤，所述硅片基座内部具有中空的法珀腔，其上表面中心处设置有硅片，所述光纤依次穿过底座和微调器的中心通孔进入硅片基座的法珀腔。进一步地，所述FP传感单元为正方形结构，利用MEMS技术加工的蛇形梁的硅片和硅片基座经键合制得，其主体正方形边长d为2.44-6.1mm，厚度e为500μm。进一步地，所述硅片主体是正方形结构，四周具有蛇形结构的外沿，所述硅片主体正方形边长a为0.5-2mm，所述蛇形结构外沿固端梁的宽度b为10-100μm，梁间缝隙c宽度为5-30μm，所述硅片整体边长l为1-2.5mm，硅片厚度h为10-100μm。进一步地，所述高压电极和FP传感器电极的间距为5mm。进一步地，还包括绝缘伞裙，绝缘伞裙套装在交流高电压传感器的顶面及侧面。一种新型膜片结构的交流高电压测量方法为：当宽带光源输出的光经光纤后，在光纤的端面和硅片底面产生反射，反射回来的多束光形成干涉；当在高压电极施加电压时，硅片与高压电极之间产生均匀电场，在电场力作用下法珀腔靠近高压侧的硅片产生微小形变，从而改变传感器FP腔的腔长；使得FP传感器的输出光谱波长发生偏移，通过边带解调法获得高压电极上的电压信号，从而实现电压的静电测量。本专利技术的有益效果为：1)本专利技术提出一种采用MEMS技术加工的蛇形结构的光纤法-珀高压交流电压测量方法，为交流高压在线监测和零值绝缘子电压测量等提供新的检测技术。2)本专利技术采用新型法珀传感膜片结构，在高压交流电压测量中灵敏度更高。附图说明图1为一种新型膜片结构的交流高电压传感器剖视图；图2为FP传感器电极剖视图；图3为底座剖视图；图4为FP传感单元剖视图；图5为一种采用MEMS技术加工的具有蛇形机构的硅片俯视图；图6为一种采用MEMS技术加工的具有蛇形机构的硅片主视图；图7为测试一种新型膜片结构的交流高电压传感器的实验系统简图；图8为图7所示系统得到的实验数据图；图中：1-高压电极；2-FP传感器电极；3-FP传感单元；4-微调器；5-底座；6-光纤；7-玻璃套管；8-法珀腔；9-硅片；10-硅片基座；11-蛇形结构外沿；12-绝缘伞裙。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术进行详细说明：结合图1至8所示，本实施例公开的一种新型膜片结构的交流高电压传感器，包括高压电极1、FP传感器电极2、FP传感单元3、微调器4、底座5、光纤6和玻璃套管7；高压电极1与FP传感器电极2上下同轴设置，且两者之间保持一定间距，FP传感器电极2安装在底座5上，底座5与高压电极1之间安装有玻璃套管7，FP传感器电极2上开设有轴心阶梯孔，微调器4安装在轴心阶梯孔的下部，FP传感单元3粘结在微调器4端面中心处，FP传感单元3位于轴心阶梯孔的上部；PF传感单元3包括硅片9、硅片基座10和光纤6，硅片基座10内部具有中空的法珀腔8，其上表面中心处设置有硅片9，光纤6依次穿过底座5和微调器4的中心通孔进入硅片基座10的法珀腔8。具体地，FP传感单元3为正方形结构，利用MEMS技术加工的蛇形梁的硅片9和硅片基座10经键合制得，其主体正方形边长d为2.44-6.1mm，厚度e为500μm。具体地，硅片9主体是正方形结构，四周具有蛇形结构的外沿11，该结构能够增加膜片的响应灵敏度，硅片10主体正方形边长a为0.5-2mm，蛇形结构外沿11固端梁的宽度b为10-100μm，梁间缝隙c宽度为5-30μm，硅片9整体边长l为1-2.5mm，硅片9厚度h可为10-100μm。具体地，高压电极1和FP传感器电极2的间距为5mm。具体地，还包括绝缘伞裙10，绝缘伞裙10套装在交流高电压传感器的顶面及侧面，防止光纤电压传感器在使用过程中，外壁发生闪络放电。传感器的主体FP传感器电极2用铝作为主体材料，具体的制备过程如下：(1)首先设计与加工出FP电极的主体结构(尺寸单位为mm)，如图2所示；(2)利用半导体电胶将FP传感单元粘贴在微调器端面中心，FP传感单元边长为2.44-6.1mm、厚度均为500μm，故车床打孔时预留0.5mm厚度以便保证装配精度；(3)利用机床对FP电极的工作端面进行精加工和倒角处理，加工时倒角半径为5mm。一种新型膜片结构的交流高电压测量方法为：当宽带光源输出的光经光纤后，在光纤的端面和硅片底面产生反射，反射回来的多束光形成干涉。当在高压电极施加电压时，硅片与高压电极之间产生均匀电场，在电场力作用下法珀腔靠近高压侧的硅片产生微小形变，从而改变传感器FP腔的腔长。使得FP传感器的输出光谱波长发生偏移，通过边带解调法获得高压电极上的电压信号，从而实现电压的静电测量。本专利技术的可测的量程范围为1kV-10kV，从图8中可以得出，在1kV-3kV时准确度要优于0.557％，灵敏度优于0.231，在3kV-6kV时准确度要优于0.252％，灵敏度优于0.135，在6kV-10kV时准确度要优于0.238％，灵敏度优于0.062。上述准确度和灵敏度均高于传统膜片结构的光纤法-珀高电压传感器的性能。以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型膜片结构的交流高电压传感器，其特征在于，包括高压电极(1)、FP传感器电极(2)、FP传感单元(3)、微调器(4)、底座(5)、光纤(6)和玻璃套管(7)；所述高压电极(1)与FP传感器电极(2)上下同轴设置，且两者之间保持一定间距，所述FP传感器电极(2)安装在底座(5)上，所述底座(5)与高压电极(1)之间安装有玻璃套管(7)，所述FP传感器电极(2)上开设有轴心阶梯孔，所述微调器(4)安装在轴心阶梯孔的下部，FP传感单元(3)粘结在微调器(4)端面中心处，FP传感单元(3)位于轴心阶梯孔的上部；所述PF传感单元(3)包括硅片(9)、硅片基座(10)和光纤(6)，所述硅片基座(10)内部具有中空的法珀腔(8)，其上表面中心处设置有硅片(9)，所述光纤(6)依次穿过底座(5)和微调器(4)的中心通孔进入硅片基座(10)的法珀腔(8)。

【技术特征摘要】
1.一种新型膜片结构的交流高电压传感器，其特征在于，包括高压电极(1)、FP传感器电极(2)、FP传感单元(3)、微调器(4)、底座(5)、光纤(6)和玻璃套管(7)；所述高压电极(1)与FP传感器电极(2)上下同轴设置，且两者之间保持一定间距，所述FP传感器电极(2)安装在底座(5)上，所述底座(5)与高压电极(1)之间安装有玻璃套管(7)，所述FP传感器电极(2)上开设有轴心阶梯孔，所述微调器(4)安装在轴心阶梯孔的下部，FP传感单元(3)粘结在微调器(4)端面中心处，FP传感单元(3)位于轴心阶梯孔的上部；所述PF传感单元(3)包括硅片(9)、硅片基座(10)和光纤(6)，所述硅片基座(10)内部具有中空的法珀腔(8)，其上表面中心处设置有硅片(9)，所述光纤(6)依次穿过底座(5)和微调器(4)的中心通孔进入硅片基座(10)的法珀腔(8)。2.根据权利要求1所述的，一种新型膜片结构的交流高电压传感器，其特征在于，所述FP传感单元(3)为正方形结构，利用MEMS技术加工的蛇形梁的硅片(9)和硅片基座(10)经键合制得，其主体正方形边长d为2.44-6.1mm，厚度e为500μm。3.根据权利要求2所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟超，赵洪，张国帅，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23