基于电致发光效应的光学电压传感器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电磁测量以及光纤传感
，涉及电致发光
，具体涉及一种基于电致发光效应的光学电压传感器。
技术介绍
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IO4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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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(ΙΤ0)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。本专利技术的优点与积极效果在于(I)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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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。具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术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] (I)其中，u为电致发光材料的外加电压，Btl和Vtl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(I)式即可获得被测电压信息。假设ro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。与光功率P以及发光亮度B成正比。也可选用ro的开路电压U。。作为传感器输出信号，即Uoc = In(3) e Irs其中，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，e为电子电荷量，Irs为H)的反向饱和电流，Ctl为常数。将式(I)、(2)代入到式(3)中可得 Moc =^-P-(4) ee \ u式中系数灸=。 ra引入常数V1，对式(4)中的u_°_5进行线性化变换= (*_'+ 。P令X=(UZV1-1),并利用幂级数展开公式(l+x)k=l+kx+o(x)展开上式,忽略高阶小项O(X)，并代入式(4)可得，uoc ^ mu+n (5)式中讲$長和”* (Ink1-嫌勵織。 由式(5)可知，在一定电压范围内，PD的开路电压U。。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Ix|〈a，a为一个小的常数，则可由-aGw/V1-Ka得到近似线性测量范围为(1-B)V^iK(Ha)V1 (6)可见，经合理近似计算，在一定电压范围内，开路电压U。。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。本专利技术利用电致发光材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电致发光效应的光学电压传感器，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种基于电致发光效应的光学电压传感器，其特征在于包括两个平行电极，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。2.根据权利要求1所述的光学电压传感器，其特征在于所述的两个平行电极分别为内电极和外电极，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，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，通过在固体绝缘材料上钻两个互相垂直且互相连通的孔，然后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f禹合。3.根据权利要求1所述的光学电压传感器，其特征在于所述的两个平行电极分别为内电极和外电极，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；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，通过在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长胜，姚健，郑岩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：