一种新型膜片结构的交流高电压传感器及测量方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明的技术方案：

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。

本发明的有益效果为：

1)本发明提出一种采用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)本发明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，对本发明进行详细说明：

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。

本发明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。