[发明专利]基于衍射MEMS的高压环境光纤交流电场电压传感器

说明书

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。