基于衍射mems的高壓環境光纖交流電場電壓傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明描述一種光纖交流電場或電壓傳感系統，適合在高電壓環境下應用，尤其是在靠近高壓電力線處應用。該系統基于衍射MEMS器件，一個放置在電場中的電容天線饋送電壓信號到衍射MEMS器件，然后該器件調制通過它的光信號。光接收器根據接收到的光信號計算出電場強度。
【專利說明】基于衍射MEMS的高壓環境光纖交流電場電壓傳感器
一，【技術領域】
[0001]本發明涉及光傳感器，特別是涉及對電場或電壓敏感的一類光傳感器，也涉及含有這類光傳感器而用于電場/電壓測量的系統。
二，【背景技術】
[0002]在高壓電行業，測量電流電壓是非常重要的，但測量又是困難的。傳統的電流電壓變壓器的絕緣總是個問題，為了解決絕緣問題，結果是這些變壓器又貴又笨重。在高壓系統的維保中，人們渴望有輕便可攜帶的電流電壓測量設備。然而，由于笨重，傳統的高壓電流或電壓互感器不能做成便攜式設備。
[0003]近幾年來，人們發明了光纖傳感器。因為光纖本身是很好的絕緣體，所以光纖傳感器自然非常適合在高壓環境中使用。實際上，光纖電流傳感器和電壓電場傳感器已經被研發生產出來，并在高電壓行業使用。它們的優點超過了傳統的電流電壓變壓器，包括:
[0004]1，良好的絕緣保證了操作人員的安全；
[0005]2,不需要絕緣油或SF6絕緣氣體；
[0006]3，沒有電磁干擾；
[0007]4，可以做成便攜式的傳感器。
[0008]當前，絕大部分光纖電場傳感器是利用電光晶片中的光偏振旋轉效應，最常用的是普克爾斯盒，或鈮酸鋰晶體。一種典型的基于鈮酸鋰晶體的電場傳感器是由光源，二根光纖，一個起偏器和一個帶有光波導的鈮酸鋰晶體和偏振分束器組成。
[0009]一個光源發射光功率進入光纖，光纖把光引入起偏器。在光線進入鈮酸鋰波導器件前，起偏器把光線變成線性偏振光。一個偶極子天線拾取電場，并把它轉換成電壓。該電壓施加到波導器件的電極上，使得通過光波導的光的偏振態產生旋轉。偏振分束器將光束分成兩個正交偏振態輸出，由相應的光接收器接收。從接收到的信號，能夠計算加在鈮酸鋰波導器件上的電壓，然后可以計算出電場強度。
[0010]這個電場強度傳感器是基于在電光晶體內的偏振旋轉效應。然而，除了加在晶體上的電壓外，還有許多其他因素影響電光晶體的偏振特性，如:應變、溫度、老化，等。制作高精度和高可靠的電場強度傳感器仍然是人類面臨的挑戰。
三.
【發明內容】
[0011]本發明描述的是一種新的用光纖在高壓環境中測量電場強度的方法，它利用了衍射微電子機械系統裝置(簡稱MEMS)。
[0012]衍射MEMS裝置廣泛應用于光通訊設備，其中一種形式是MEMS裝置作為可變光衰減器(簡稱V0A)使用。在VOA上加一個電壓時，VOA的光衰減量產生變化。因此，當輸入的光保持一個恒量時，光的通過量將被控制。這種類型VOA的一些有用特性是:1，它對所加的電壓響應很快，在幾十微秒的量級，對于常見的50或60Hz信號是足夠快的；2，對輸入光的偏振態不敏感；3，對機械振動不敏感；4，它是一個電壓驅動器件，幾乎不消耗電流。所以，可以用于探測電場；5，它非常耐用，其磨損壽命超過1000億次，在50/60HZ連續工作可以超過50年，而普通的MEMS VOAs磨損壽命只有1000萬次。
[0013]一個現有技術是使用衍射MEMS器件的交流電流傳感器。把一個空氣芯線圈安裝在載流導體周圍，這個線圈把交流磁場轉變為交流電壓。然后這個交流電壓驅動衍射MEMS器件，于是通過這個器件的光信號被調制，光接收機把經過調制的光信號轉換為電信號，因此可以測量出導體中的交流電流。
[0014]本發明提出了一種新的方法和裝置，用基于衍射MEMS器件在高電壓環境中測量交流電場強度和電壓。這個電場的強度/電壓測量系統包括一個光源，一個衍射MENS傳感器頭，一個光接收器，連接光源和傳感器頭以及連接傳感器頭和光接收器的光纖。光源發出穩定的光到傳感器頭，在傳感器頭內的衍射MEMS器件連接到一個電容性天線，該天線位于交流電場中并將交流電場轉換為電壓。該電壓驅動衍射MEMS器件，光信號通過這個衍射MEMS裝置被調制。光接收器轉換光信號為電信號，就可測量出電場。
[0015]在另一種應用中，基于衍射MEMS的傳感器頭連接到一個電壓分壓器，而此電壓分壓器連接到一個交流電壓。從光接收器的輸出端可以測量這個交流電壓。這里的電壓分壓器可以是電阻性的也可以是電容性的。
四，【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1表示一種典型的光衰減量與衍射MEMS VOA上所加電壓關系的曲線。
[0017]圖2表不基于衍射MEMS VOA的交流電場強度傳感器的第一優選實施方案。
[0018]圖3表示基于衍射MEMS VOA的交流電場強度傳感器的第二優選實施方案。在這一優選實施方案中，衍射MEMS VOA加了直流偏置。
[0019]圖4表示第三優選實施方案，這是使用電容分壓器的，基于衍射MEMS的交流電壓傳感器。
[0020]圖5表示第四優選實施方案，這是使用電阻分壓器的，基于衍射MEMS的交流電壓傳感器。
【具體實施方式】
[0021]本發明介紹了一種新的方法，在高壓環境下利用光纖耦合衍射MEMS器件測量電場強度或電壓。和現有的用電光晶體產生光信號的偏振旋轉的技術相比，本發明提供了一種更簡單和更便宜的解決方案。在一種形式中，衍射MEMS器件被做成一個可變光學衰減器V0A，當一個電壓施加到這個VOA時，它就改變了通過它的光信號衰減量。這種類型的VOA對于所施加的電壓的響應時間在幾十微秒內，對驅動電壓具有高的的電阻抗，并且產生30db的光衰減所需的驅動電壓不超過6伏。這些特點使這種類型的VOA對于頻率高達到IkHz的交流信號仍有響應。
[0022]衍射MEMS VOA連接到偶極/電容性天線就構成一個光纖交流電場強度傳感器。衍射MEMSVOA也能夠連接到電容性或電阻性的分壓器構成一個光纖交流電壓傳感器。
[0023]第一種實施方案
[0024]如圖2所示，在第一個實施方案中，把V0A203連接到一個不帶直流偏置電壓的電容性天線202。VOA在零直流偏置下工作，它的光調制和交流驅動電壓之間不是線性關系。圖2顯示光接收器205的電信號輸出。因為沒有VOA的直流偏置，輸出的電信號具有驅動交流電壓208 二倍的重復頻率。
[0025]第二種實施方案
[0026]如圖3所示，在第二個實施方案中，用衍射MEMS V0A303測量交流電場。通過電阻(一般是兆歐級的)307給VOA加上幾伏的直流偏置電壓306.電容天線302連接到V0A，直流電壓決定了 VOA的工作點，工作點應是光調制深度與驅動電壓線性關系最好的電壓。電容天線把交流電場轉換成交流電壓，交流電壓驅動V0A，這樣光信號通過VOA時就被交流電壓調制。光接收器305接收到這個調制的光信號，并把光信號轉換成電信號。圖3展示了輸出的電信號309,電信號與被測的電場強度308成正比。
[0027]第三種實施方案
[0028]如圖4所示，在第三個實施方案中，V0A404連接到電容性的電壓分壓器402，電壓分壓器連接到交流高壓導線401。分壓器提供一個低壓交流電驅動V0A，從VOA的光輸出就可以測量高壓導線上的交流電壓。
[0029]第四種實施方案
[0030]如圖5所示，在第四個實施方案中，V0A504連接到電阻性的電壓分壓器502，電壓分壓器連接到高壓導線501，分壓器提供一個低壓交流電驅動V0A，從VOA的光輸出就可以測量高壓導線上的交流電壓。
【權利要求】
1.一個基于衍射微電子機械系統可變光衰減器MEMSVOA (Micro-Electro-MechanicalSystem Variable Optical Attenuator)的，用于在高電壓環境中探測交流電場強度或電壓的光交流電場或交流電壓傳感器，包含: 一個具有穩定連續光波輸出的光源； 一個把交流電場轉換成交流電壓信號的電容天線； 一個連接到電容天線并調制輸入連續光波信號的衍射MEMS器件； 一個把接收到的光信號轉變為電信號的光接收器。
2.根據權利要求1，一個光交流電場強度傳感器具有一個電路: 這個電路將一個直流偏置電壓和如上所述的電容天線提供的交流電壓信號合并； 這個電路將電信號供給如上所述的衍射MEMS VOA ； 這個電路包括熱敏電阻，用來補償權利要求一所述的衍射MEMS VOA調制深度的溫度漂移。
3.一個基于MEMS VOA的光交流電壓傳感器由以下部分組成: 一個具有穩定連續波輸出的光源； 一個電壓分壓器提供一個降低的電壓； 一個衍射MEMS裝置連接到這個電壓分壓器，并調制輸入的連續光波信號。
4.根據權利要求3，一個分壓器是一個電阻性的電壓分壓器或電容性的電壓分壓器。
【文檔編號】G01R29/12GK103777085SQ201310024143
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年1月23日 優先權日:2013年1月23日
【發明者】不公告發明人 申請人:郝晉, 單雪康