專利名稱：一種振膜式高電壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振膜式高電壓傳感器，基本原理是基于電場力驅(qū)動(dòng)極化薄膜振
動(dòng)，由測(cè)量振動(dòng)得到電壓信號(hào)。由不同的振動(dòng)測(cè)量方式可以得到模擬電壓信號(hào)或數(shù)字電壓 信號(hào)，適用于電力系統(tǒng)的交直流高電壓測(cè)量。
背景技術(shù)：
目前可用于高電壓測(cè)量的電壓互感器或電壓傳感器有電磁式，電容式和光電式三 種，其中光電式仍處于研制與試運(yùn)行階段。 電磁式電壓互感器依賴高低電位之間的電磁聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量，隨著電力系統(tǒng)電 壓等級(jí)的提高，其電氣絕緣變得十分困難?？紤]到安全性、可靠性、準(zhǔn)確性、性價(jià)比等方面的 要求，電磁式電壓互感器不適用于220kV以上電壓等級(jí)。 電容式電壓互感器基于電容分壓原理，簡單實(shí)用、成本低。但其瞬變響應(yīng)誤差太 大，一般為5% _10%。這一缺陷是原理性的，因?yàn)殡娙萜鞯某浞烹娞匦员厝粚?dǎo)致時(shí)滯和剩 余電壓。減少電容量則容易受到外界分布電容的干擾，增加電容量則難以改善瞬變響應(yīng)。另 外，長期運(yùn)行后其分壓比發(fā)生漂移，嚴(yán)重影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。目前在500kV及以上電壓等 級(jí)，除電容式電壓互感器外別無其他選擇。 以上三種互感器的共同缺點(diǎn)是只能在低壓側(cè)得到模擬電壓信號(hào)，需要利用模數(shù)轉(zhuǎn) 換電子電路獲得數(shù)字電壓信號(hào)。在電力系統(tǒng)向數(shù)字化發(fā)展的今天，特別需要數(shù)字式電壓傳 感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、測(cè)量準(zhǔn)確、安全可靠的高電壓傳感 器，包括電壓極化薄膜振動(dòng)系統(tǒng)和微振動(dòng)光電測(cè)量系統(tǒng)。電壓極化薄膜振動(dòng)系統(tǒng)有兩種實(shí) 施方式高電位極化方式和地電位極化方式，其中高電位極化方式適合220kV以下的交流 電壓測(cè)量，地電位極化方式適合直流電壓測(cè)量和220kV及以上的交流電壓測(cè)量。微振動(dòng)光 電測(cè)量系統(tǒng)也有光強(qiáng)模擬式、遮光數(shù)字式和光反射數(shù)字式三種實(shí)施方式，其中光強(qiáng)模擬式 應(yīng)用了反射光強(qiáng)式微振動(dòng)測(cè)量方法得到模擬電壓信號(hào)，數(shù)字式應(yīng)用了光束邊緣調(diào)制線陣電 荷耦合器的方法直接得到數(shù)字電壓信號(hào)。本發(fā)明包括五種實(shí)施模式地電位極化光強(qiáng)模擬 式、地電位極化遮光數(shù)字式、地電位極化光反射數(shù)字式、高電位極化光強(qiáng)模擬式和高電位極 化遮光數(shù)字式。 地電位極化模式是一個(gè)簡單的平板電容器，其光強(qiáng)模擬式實(shí)施方式如圖1所示， 光反射數(shù)字式實(shí)施方式如圖2所示，遮光數(shù)字式實(shí)施方式如圖5所示。平板電容器的一個(gè) 極板為固定金屬極板[l]，連接交流或直流電壓的高電位；另一個(gè)極板是高分子鍍金屬薄 膜[2]直接接地，薄膜由地電位極化而帶有靜電荷。[1]與[2]間的電壓就是要測(cè)量的電 壓。地電位極化模式可以測(cè)量交流電壓，也可以測(cè)量直流電壓。用于測(cè)量交流電壓時(shí)，[2] 在[1]均勻電場力的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生全膜振動(dòng)，或稱之為活塞運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)的幅值是電場力的線
4性函數(shù)。驅(qū)動(dòng)[2]振動(dòng)的電場力與極板間電壓的平方成正比，與極板間距離的平方成反比。 因此從一般意義上理解，這兩個(gè)平方關(guān)系使得[2]振動(dòng)的幅值與極板間電壓的關(guān)系是非線 性的，不能滿足交流電壓基波與諧波分量的線性疊加。但是，[2]振動(dòng)的幅值為微納米量級(jí)， 而[1]與[2]間的距離為數(shù)厘米乃至數(shù)十厘米，平方后兩者相差幾十萬倍，因此由[2]的微 小振動(dòng)引起的極板間距離變化的影響可以忽略不計(jì)。其次是在超高壓、特高壓系統(tǒng)中，交流 電壓波形為近似理想的正弦波，諧波分量近似為零，可以忽略不計(jì)，因此不存在基波與諧波 分量的線性疊加問題。電場力與基波正弦電壓的平方唯一對(duì)應(yīng)，基波電壓可以用數(shù)學(xué)方法 還原出來。所以地電位極化方式適用于220kV及以上系統(tǒng)的交流電壓測(cè)量。地電位極化模 式用于測(cè)量直流電壓時(shí)，[2]在[1]均勻電場力的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生全膜進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)的幅值是電場 力的線性函數(shù)。電壓值可以用數(shù)學(xué)方法直接計(jì)算出來。地電位極化方式適用于所有電壓等 級(jí)的直流電壓測(cè)量。 高電位極化模式由兩個(gè)平板電容器構(gòu)成，其光強(qiáng)模擬式實(shí)施方式如圖3所示，遮 光數(shù)字式實(shí)施方式如圖4所示。其中有兩個(gè)固定金屬極板[l]，一個(gè)金屬極板經(jīng)高值電阻 [14]接外加直流電源[15]的正極，帶有靜止正電荷；另一個(gè)金屬極板經(jīng)高值電阻[14]接 外加直流電源[15]的負(fù)極，帶有靜止負(fù)電荷。[15]的中性點(diǎn)接交流電壓的地電位，正極性 電壓與負(fù)極性電壓數(shù)值相同。高分子鍍金屬薄膜[2]連接交流電壓的高電位，置于[l]的正 中間，與正極性的金屬極板構(gòu)成一個(gè)電容器，與負(fù)極性的金屬極板構(gòu)成另一個(gè)電容器。在交 流電壓的電場力與[1]靜止正負(fù)電荷的推挽驅(qū)動(dòng)下，[2]產(chǎn)生全膜振動(dòng)，振動(dòng)的幅值是交流 電壓的線性函數(shù)，滿足基波與諧波分量的線性疊加要求。這一模式適用于有諧波分量的中 高壓系統(tǒng)的交流電壓測(cè)量，當(dāng)然也可以用來測(cè)量直流電壓，只是不如地電位極化模式簡單。
光強(qiáng)模擬式微振動(dòng)光電測(cè)量系統(tǒng)是應(yīng)用反射光強(qiáng)式測(cè)量方法。如圖1和圖3所示， 普通光信號(hào)從模擬光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)控制處理器[6]經(jīng)傳輸光纖[5]傳送到光纖探頭[4]并 發(fā)射到振動(dòng)薄膜，[4]接收到振動(dòng)薄膜反射回來的光信號(hào)，再經(jīng)[5]傳回[6]轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 反射光信號(hào)的強(qiáng)度隨薄膜的振動(dòng)或進(jìn)動(dòng)發(fā)生變化，通過測(cè)量光強(qiáng)的變化得到需要測(cè)量的電 壓。 數(shù)字式微振動(dòng)光電測(cè)量有光反射數(shù)字式和遮光數(shù)字式兩種，其區(qū)別主要體現(xiàn)在高 電位極化和地電位極化時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的方便使用。地電位極化光反射數(shù)字式如圖2，是將激光 信號(hào)從光源[8]經(jīng)傳輸光纖[5]傳送到準(zhǔn)直器[IO]，準(zhǔn)直后經(jīng)光闌[11]的調(diào)整得到邊緣整 齊清晰的光束，光束以一定的角度發(fā)射到振動(dòng)薄膜，調(diào)整光束的邊緣與高分子鍍金屬薄膜 [2]靜止時(shí)的中心線重合，經(jīng)振動(dòng)薄膜反射后光信號(hào)進(jìn)入光學(xué)放大透鏡[12]放大后以提高 分辨率，再到線陣電荷耦合器(CCD)與信號(hào)控制處理器[9]，薄膜的振動(dòng)導(dǎo)致反射光邊緣的 位置發(fā)生變化使反射光進(jìn)入CCD的不同像素，對(duì)像素進(jìn)行簡單的二值判斷，即有光信號(hào)或 無光信號(hào)，便可以確定光信號(hào)邊緣所處的位置，CCD像素位置的編碼就是振動(dòng)信號(hào)幅值的數(shù) 字量。對(duì)CCD像素的二值判斷等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換，二值判斷的時(shí)間等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間。
高電位極化遮光數(shù)字式如圖4所示，地電位極化遮光數(shù)字式如圖5所示，是將激光 信號(hào)從光源[8]經(jīng)傳輸光纖[5]傳送到準(zhǔn)直器[IO]，準(zhǔn)直后經(jīng)光闌[11]的調(diào)整得到邊緣整 齊清晰的光束，在[2]上粘接一塊極輕的泡沫遮光材料[13]，調(diào)整光束使[2]靜止時(shí)[13] 的端面與光束的中心線重合，[2]振動(dòng)時(shí)帶動(dòng)[13]遮擋全部光束、部分光束或無遮擋光束。 光束經(jīng)[13]調(diào)制后進(jìn)入光學(xué)放大透鏡[12]放大后再到線陣電荷耦合器(CCD)與控制處理器[9]， [2]的振動(dòng)導(dǎo)致光束邊緣的位置發(fā)生變化使光線進(jìn)入CCD的不同像素，對(duì)像素進(jìn)行 簡單的二值判斷，即有光信號(hào)或無光信號(hào)，便可以確定光信號(hào)邊緣所處的位置，CCD像素位 置的編碼就是振動(dòng)信號(hào)幅值的數(shù)字量。對(duì)CCD像素的二值判斷等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換，二值判斷 的時(shí)間等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間。 以上的陳述中未涉及外部環(huán)境的振動(dòng)干擾對(duì)[2]的影響，但這種影響是一定存在 的，應(yīng)當(dāng)有效地排除掉。因此，附圖中設(shè)置了高分子非鍍金屬薄膜[3]， [3]與[2]的大小、 形狀、質(zhì)量、膜張力完全相同，但[3]不連接高電位或地電位，電場力對(duì)[3]沒有作用。[2] 的振動(dòng)信號(hào)是電場力驅(qū)動(dòng)與外部環(huán)境干擾振動(dòng)的疊加，[3]的振動(dòng)信號(hào)僅僅是外部環(huán)境的 干擾振動(dòng)。在[6]或[9]的光電轉(zhuǎn)換與數(shù)字處理中，將[2]減去[3]可以排除外部環(huán)境的 振動(dòng)干擾。


圖1是本發(fā)明的地電位極化光強(qiáng)模擬式具體實(shí)施方式
。
圖2是本發(fā)明的地電位極化光反射數(shù)字式具體實(shí)施方式
。
圖3是本發(fā)明的高電位極化光強(qiáng)模擬式具體實(shí)施方式
。
圖4是本發(fā)明的高電位極化遮光數(shù)字式具體實(shí)施方式
。
圖5是本發(fā)明的地電位極化遮光數(shù)字式具體實(shí)施方式
。 其中，[1]是固定金屬極板，[2]是高分子鍍金屬薄膜，[3]是高分子非鍍金屬薄 膜，[4]是光纖探頭，[5]是傳輸光纖，[6]是模擬光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)控制處理器，[7]是絕緣 體，[8]是激光信號(hào)源，[9]是電荷耦合器及信號(hào)控制處理器，[10]是準(zhǔn)直器，[11]是光闌， [12]是光學(xué)放大透鏡，[13]是泡沫遮光材料，[14]是高值電阻，[15]是直流極化電壓。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 : 本實(shí)施例為地電位極化光強(qiáng)模擬式高電壓傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示固定金屬 極板[1]，高分子鍍金屬薄膜[2]，高分子非鍍金屬薄膜[3]，光纖探頭[4]，傳輸光纖[5]，模 擬光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)控制處理器[6]均置于絕緣體[7]中，[7]用于高電位與地電位的隔離。 [1]連接高電位，[2]接地并經(jīng)地電位極化而帶有靜電荷，[2]在[1]電場力的驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)， 同時(shí)疊加了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)；[3]只反應(yīng)外部環(huán)境的干擾振動(dòng)；普通光信號(hào)經(jīng)[5]傳輸 到[4]并向[2]和[3]發(fā)射出去，經(jīng)[2]和[3]的反射后光的強(qiáng)度隨薄膜的振動(dòng)或進(jìn)動(dòng)發(fā) 生變化，反射光經(jīng)[4]接收再經(jīng)[5]傳輸?shù)絒6]并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到電信號(hào)。驅(qū)動(dòng)[2]振 動(dòng)的電場力與極板間電壓的平方成正比，如果極板間為交流電壓，那么轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)是 極板間電壓的倍頻信號(hào)，電信號(hào)需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理才能得到與極板間電壓成比 例的同頻率交流電壓信號(hào)；如果極板間為直流電壓，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)也需要經(jīng)過模擬電子 電路或數(shù)字電子電路處理后才能得到與極板間電壓成比例的直流電壓信號(hào)；同時(shí)在[2]中 減掉[3]的信號(hào)數(shù)值，即排除了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)。
實(shí)施例2: 本實(shí)施例為地電位極化光反射數(shù)字式高電壓傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示固定金 屬極板[l]，高分子鍍金屬薄膜[2]，高分子非鍍金屬薄膜[3]，傳輸光纖[5]，激光信號(hào)源
6[8]，電荷耦合器及信號(hào)控制處理器[9]，準(zhǔn)直器[IO]，光闌[ll]，光學(xué)放大透鏡[12]均置 于絕緣體[7]中，[7]用于高電位與地電位的隔離。[1]連接高電位，[2]接地并經(jīng)地電位 極化而帶有靜電荷，[2]在[1]電場力的驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)，同時(shí)疊加了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)；[3] 只反應(yīng)外部環(huán)境的干擾振動(dòng)；[8]產(chǎn)生的激光信號(hào)經(jīng)[5]傳輸?shù)絒IO]，準(zhǔn)直后經(jīng)光闌[11] 的調(diào)整得到邊緣整齊清晰的光束，光束以一定的角度發(fā)射到[2]和[3]，調(diào)整光束的邊緣與 [2]和[3]靜止時(shí)的中心線重合，經(jīng)[2]和[3]反射后光信號(hào)進(jìn)入光學(xué)放大透鏡[12]，放大 后再到線陣電荷耦合器(CCD)與信號(hào)控制處理器[9]， [2]和[3]的振動(dòng)導(dǎo)致反射光邊緣 的位置發(fā)生變化使反射光進(jìn)入CCD的不同像素，對(duì)像素進(jìn)行簡單的二值判斷，即有光信號(hào) 或無光信號(hào)，便可以確定光信號(hào)邊緣所處的位置，CCD像素位置的編碼就是振動(dòng)信號(hào)幅值的 數(shù)字量。對(duì)CCD像素的二值判斷等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換，二值判斷的時(shí)間等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間。 如實(shí)施例l所述，驅(qū)動(dòng)[2]振動(dòng)的電場力與極板間電壓的平方成正比，需要經(jīng)過數(shù)字處理才 能得到與極板間電壓成比例的交流電壓信號(hào)或直流電壓信號(hào)，同時(shí)在[2]中減掉[3]的信 號(hào)數(shù)值，即排除了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)。
實(shí)施例3 : 本實(shí)施例為高電位極化光強(qiáng)模擬式高電壓傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示固定金屬 極板[1]，高分子鍍金屬薄膜[2]，高分子非鍍金屬薄膜[3]，光纖探頭[4]，傳輸光纖[5]，模 擬光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)控制處理器[6]，高值電阻[14]，直流極化電壓[15]均置于絕緣體[7] 中，[7]用于高電位與地電位的隔離。[1]經(jīng)[14]分別連接[15]的正極和負(fù)極，[15]的中 性點(diǎn)連接交流電壓的地電位，其正極性電壓與負(fù)極性電壓數(shù)值相同；[2]連接交流電壓的 高電位，在電壓正負(fù)交變的過程中，[2]的交變電場力與[1]的正負(fù)靜電荷之間的相互作用 對(duì)[2]產(chǎn)生推挽驅(qū)動(dòng)使之振動(dòng)，同時(shí)疊加了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)；[3]只反應(yīng)外部環(huán)境的干 擾振動(dòng)；普通光信號(hào)經(jīng)[5]傳輸?shù)絒4]并向[2]和[3]發(fā)射出去，經(jīng)[2]和[3]的反射后光 的強(qiáng)度隨[2]和[3]的振動(dòng)發(fā)生變化，反射光經(jīng)[4]接收再經(jīng)[5]傳輸?shù)絒6]并經(jīng)光電轉(zhuǎn) 換后得到電信號(hào)。[2]振動(dòng)的幅值是極板間電壓的線性函數(shù)并疊加了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)， 經(jīng)[6]的光電轉(zhuǎn)換后在[2]中減掉[3]的信號(hào)數(shù)值，即排除了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)，得到與 極板間電壓成比例的模擬量電壓信號(hào)；。
實(shí)施例4 : 本實(shí)施例為高電位極化遮光數(shù)字式高電壓傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示固定金屬 極板[l]，高分子鍍金屬薄膜[2]，高分子非鍍金屬薄膜[3]，傳輸光纖[5]，激光信號(hào)源[8]， 電荷耦合器及信號(hào)控制處理器[9]，準(zhǔn)直器[IO]，光闌[ll]，光學(xué)放大透鏡[12]，泡沫遮光 材料[13]，高值電阻[14]，直流極化電壓[15]均置于絕緣體[7]中，[7]用于高電位與地 電位的隔離。[1]經(jīng)[14]分別連接[15]的正極和負(fù)極，[15]的中性點(diǎn)連接交流電壓的地 電位，其正極性電壓與負(fù)極性電壓數(shù)值相同；[2]連接交流電壓的高電位，在電壓正負(fù)交變 的過程中，[2]的交變電場力與[1]的正負(fù)靜電荷之間的相互作用對(duì)[2]產(chǎn)生推挽驅(qū)動(dòng)使 之振動(dòng)，振動(dòng)的幅值是極板間電壓的線性函數(shù)，同時(shí)疊加了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)；[3]只反 應(yīng)外部環(huán)境的干擾振動(dòng)；[8]產(chǎn)生的激光信號(hào)經(jīng)[5]傳輸?shù)絒IO]，準(zhǔn)直后經(jīng)光闌[11]的調(diào) 整得到邊緣整齊清晰的光束，在[2]和[3]上粘接一塊極輕的泡沫遮光材料[13]，調(diào)整光 束使[2]和[3]靜止時(shí)[13]的端面與光束的中心線重合，[2]和[3]振動(dòng)時(shí)帶動(dòng)[13]遮 擋全部光束、部分光束或無遮擋光束。光束經(jīng)[13]調(diào)制后進(jìn)入光學(xué)放大透鏡[12]放大后再到線陣電荷耦合器(CCD)與控制處理器[9]， [2]和[3]的振動(dòng)導(dǎo)致光束邊緣的位置發(fā)生 變化使光線進(jìn)入CCD的不同像素，對(duì)像素進(jìn)行簡單的二值判斷，即有光信號(hào)或無光信號(hào)，便 可以確定光信號(hào)邊緣所處的位置，CCD像素位置的編碼就是振動(dòng)信號(hào)幅值的數(shù)字量。對(duì)CCD 像素的二值判斷等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換，二值判斷的時(shí)間等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間。在[2]中減掉 [3]的信號(hào)數(shù)值，即排除了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)。
實(shí)施例5 : 本實(shí)施例為地電位極化遮光數(shù)字式高電壓傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示固定金屬 極板[l]，高分子鍍金屬薄膜[2]，高分子非鍍金屬薄膜[3]，傳輸光纖[5]，激光信號(hào)源[8]， 電荷耦合器及信號(hào)控制處理器[9]，準(zhǔn)直器[IO]，光闌[ll]，光學(xué)放大透鏡[12]，泡沫遮光 材料[13]均置于絕緣體[7]中，[7]用于高電位與地電位的隔離。[1]連接高電位，[2]接 地并經(jīng)地電位極化而帶有靜電荷，[2]在[1]電場力的驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)，同時(shí)疊加了外部環(huán)境的 干擾振動(dòng)；[3]只反應(yīng)外部環(huán)境的干擾振動(dòng)；[8]產(chǎn)生的激光信號(hào)經(jīng)[5]傳輸?shù)絒IO]，準(zhǔn)直 后經(jīng)光闌[11]的調(diào)整得到邊緣整齊清晰的光束，在[2]和[3]上粘接一塊極輕的泡沫遮光 材料[13]，調(diào)整光束使[2]和[3]靜止時(shí)[13]的端面與光束的中心線重合，[2]和[3]振 動(dòng)時(shí)帶動(dòng)[13]遮擋全部光束、部分光束或無遮擋光束。光束經(jīng)[13]調(diào)制后進(jìn)入光學(xué)放大 透鏡[12]再到線陣電荷耦合器(CCD)與控制處理器[9]， [2]和[3]的振動(dòng)導(dǎo)致光束邊緣 的位置發(fā)生變化使光線進(jìn)入CCD的不同像素，對(duì)像素進(jìn)行簡單的二值判斷，即有光信號(hào)或 無光信號(hào)，便可以確定光信號(hào)邊緣所處的位置，CCD像素位置的編碼就是振動(dòng)信號(hào)幅值的數(shù) 字量。對(duì)CCD像素的二值判斷等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換，二值判斷的時(shí)間等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間。如 實(shí)施例l所述，驅(qū)動(dòng)[2]振動(dòng)的電場力與極板間電壓的平方成正比，需要經(jīng)過數(shù)字處理才能 得到與極板間電壓成比例的交流電壓信號(hào)或直流電壓信號(hào)，同時(shí)在[2]中減掉[3]的信號(hào) 數(shù)值，即排除了外部環(huán)境的干擾振動(dòng)。
權(quán)利要求
一種振膜式高電壓傳感器，其特征是基于電場力驅(qū)動(dòng)極化薄膜振動(dòng)的原理，由兩種薄膜極化方式和三種振動(dòng)測(cè)量方法構(gòu)成五種具體實(shí)施模式地電位極化光強(qiáng)模擬式、地電位極化遮光數(shù)字式、地電位極化光反射數(shù)字式、高電位極化光強(qiáng)模擬式和高電位極化遮光數(shù)字式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振膜式高電壓傳感器，其特征是地電位極化模式是一個(gè)平 板電容器，一個(gè)極板為固定金屬極板連接交流或直流電壓的高電位，另一個(gè)極板是高分子 鍍金屬薄膜直接接地，薄膜由地電位極化而帶有靜電荷并在固定金屬極板電場力的驅(qū)動(dòng)下 產(chǎn)生全膜振動(dòng)，振動(dòng)的幅值是電場力的線性函數(shù)；薄膜的微小振動(dòng)引起的極板間距離的變 化和超高壓、特高壓系統(tǒng)中諧波分量可以忽略不計(jì)，電場力與基波電壓的平方唯一對(duì)應(yīng)，基 波電壓可以用數(shù)學(xué)方法還原出來；所以地電位極化方式適用于220kV及以上系統(tǒng)的交流電 壓測(cè)量，也適用于所有電壓等級(jí)的直流電壓測(cè)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的振膜式高電壓傳感器，其特征是高電位極化模式由兩個(gè)平 板電容器構(gòu)成，其中兩個(gè)固定金屬極板分別經(jīng)高值電阻接外加直流電源的正極和負(fù)極并分 別帶有靜止正電荷和負(fù)電荷，直流電源的中性點(diǎn)接交流電壓的地電位，正極性電壓與負(fù)極 性電壓數(shù)值相同；高分子鍍金屬薄膜連接交流電壓的高電位并置于兩個(gè)固定金屬極板的正 中間，并在交流電壓的電場力與兩個(gè)固定金屬極板上靜止正負(fù)電荷的推挽驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生全膜 振動(dòng)，振動(dòng)的幅值是交流電壓的線性函數(shù)，適用于有諧波分量的中高壓系統(tǒng)的交流電壓測(cè) 量，也可以用于直流電壓測(cè)量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的振膜式高電壓傳感器，其特征是光強(qiáng)模擬式微振 動(dòng)光電測(cè)量系統(tǒng)是應(yīng)用反射光強(qiáng)式測(cè)量方法，使普通光信號(hào)從模擬光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)控制處 理器經(jīng)傳輸光纖傳送到光纖探頭并發(fā)射到振動(dòng)薄膜，反射回來的光信號(hào)經(jīng)光纖探頭接收再 經(jīng)傳輸光纖傳回模擬光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)控制處理器并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，反射光信號(hào)的強(qiáng)度隨薄 膜的振動(dòng)或進(jìn)動(dòng)發(fā)生變化；在地電位極化方式中光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過模擬和數(shù)字電子 電路處理后得到與待測(cè)電壓成比例的數(shù)字量電壓信號(hào)，在高電位極化方式中光電轉(zhuǎn)換后得 到與待測(cè)電壓成比例的模擬量電壓信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的振膜式高電壓傳感器，其特征是光反射數(shù)字式微 振動(dòng)光電測(cè)量是應(yīng)用光束邊緣調(diào)制線陣電荷耦合器的方法，使激光信號(hào)經(jīng)傳輸光纖傳輸?shù)?準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，經(jīng)光闌的調(diào)整得到邊緣整齊清晰的光束并以一定的角度發(fā)射到振動(dòng)薄膜， 調(diào)整光束的邊緣與振動(dòng)薄膜靜止時(shí)的中心線重合，經(jīng)振動(dòng)薄膜反射后光信號(hào)進(jìn)入光學(xué)放大 透鏡放大后再到線陣電荷耦合器(CCD)與信號(hào)控制處理器，薄膜的振動(dòng)導(dǎo)致反射光邊緣的 位置發(fā)生變化使反射光進(jìn)入CCD的不同像素，對(duì)像素進(jìn)行簡單的二值判斷，即有光信號(hào)或 無光信號(hào)，便可以確定光信號(hào)邊緣所處的位置，CCD像素位置的編碼就是振動(dòng)信號(hào)幅值的數(shù) 字量。對(duì)CCD像素的二值判斷等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換，二值判斷的時(shí)間等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的振膜式高電壓傳感器，其特征是遮光數(shù)字式微振 動(dòng)光電測(cè)量是應(yīng)用光束邊緣調(diào)制線陣電荷耦合器的方法，使激光信號(hào)經(jīng)傳輸光纖傳輸?shù)綔?zhǔn) 直器準(zhǔn)直后經(jīng)光闌的調(diào)整得到邊緣整齊清晰的光束；在振動(dòng)薄膜上粘接一塊極輕的泡沫遮 光材料，調(diào)整光束使振動(dòng)薄膜靜止時(shí)泡沫遮光材料的端面與光束的中心線重合，薄膜振動(dòng) 時(shí)帶動(dòng)泡沫遮光材料遮擋全部光束、部分光束或無遮擋光束，調(diào)制后的光束進(jìn)入光學(xué)放大 透鏡放大后再到線陣電荷耦合器(CCD)與控制處理器，薄膜的振動(dòng)導(dǎo)致光束邊緣的位置發(fā)生變化使光線進(jìn)入CCD的不同像素，對(duì)像素進(jìn)行簡單的二值判斷，即有光信號(hào)或無光信號(hào)， 便可以確定光信號(hào)邊緣所處的位置，CCD像素位置的編碼就是振動(dòng)信號(hào)幅值的數(shù)字量。對(duì) CCD像素的二值判斷等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換，二值判斷的時(shí)間等同于模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間。
7. 實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的振膜式高電壓傳感器，其特征是為 了有效地排除掉外部環(huán)境的振動(dòng)干擾，設(shè)置了一個(gè)高分子非鍍金屬薄膜，與高分子鍍金屬 薄膜比較其大小、形狀、質(zhì)量、膜張力完全相同但不連接高電位或地電位，電場力對(duì)其沒有 作用，因此高分子鍍金屬薄膜的振動(dòng)信號(hào)是電場力驅(qū)動(dòng)與外部環(huán)境干擾振動(dòng)的疊加，高分 子非鍍金屬薄膜的振動(dòng)信號(hào)僅僅是外部環(huán)境的干擾振動(dòng)，所以在光電轉(zhuǎn)換與數(shù)字處理中， 將高分子鍍金屬薄膜的振動(dòng)電信號(hào)減去高分子非鍍金屬薄膜的振動(dòng)電信號(hào)可以排除外部 環(huán)境的振動(dòng)干擾。
8. 實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的振膜式高電壓傳感器，其特征是 使用了準(zhǔn)直器將激光束準(zhǔn)直、使用了光闌使激光束的邊緣整齊清晰，使用了光學(xué)放大透鏡 將激光束放大以提高分辨率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種振膜式高電壓傳感器，基本原理是基于電場力驅(qū)動(dòng)極化薄膜振動(dòng)，由測(cè)量振動(dòng)得到電壓信號(hào)。本發(fā)明有五種具體實(shí)施模式地電位極化光強(qiáng)模擬式、地電位極化遮光數(shù)字式、地電位極化光反射數(shù)字式、高電位極化光強(qiáng)模擬式和高電位極化遮光數(shù)字式。高電位極化方式適合220kV以下的交流電壓測(cè)量，地電位極化方式適合直流電壓測(cè)量和220kV及以上的交流電壓測(cè)量。光強(qiáng)模擬式應(yīng)用了反射光強(qiáng)式微振動(dòng)測(cè)量方法得到模擬電壓信號(hào)，遮光數(shù)字式和光反射數(shù)字式應(yīng)用了光束邊緣調(diào)制線陣電荷耦合器的方法直接得到數(shù)字電壓信號(hào)，二者的區(qū)別主要體現(xiàn)在高電位極化和地電位極化時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的方便使用。本發(fā)明之振膜式高電壓傳感器適用于電力系統(tǒng)所有電壓等級(jí)的交直流電壓測(cè)量。
文檔編號(hào)G01R19/25GK101750533SQ200810072318
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者徐啟峰 申請(qǐng)人:徐啟峰