[發明專利]基于電致發光效應的光學電壓傳感器

有效

• 申請號: 201210548735.9
• 申請日: 2012-12-17
• 公開（公告）號: CN103018533A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 李長勝;姚健;鄭巖
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01R19/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

技術領域

本發明屬于電磁測量以及光纖傳感技術領域，涉及電致發光技術領域，具體涉及一種基于電致發光效應的光學電壓傳感器。

背景技術

隨著電力系統輸電電壓等級的提高，利用傳統電磁式電壓互感器測量高電壓的方法顯露出許多不足之處，例如電氣絕緣能力較差、體積和重量均很大、存在較大的電功率和磁滯損耗、成本高、頻率響應頻帶較窄、存在安全隱患等。自1970年以來，人們開始研究光學電壓傳感器，這種新型傳感器具有電絕緣能力強、響應頻帶寬、體積小、重量輕、安全性高等優點，受到人們的廣泛關注。

目前光學電壓傳感器的測量原理主要是基于晶體或光纖的泡克耳斯（Pockels）線性電光效應和克爾（Kerr）二次電光效應等，但這類傳感器均需要工作光源，例如激光二極管（LD）、發光二極管（LED）或超輻射發光二極管（SLD）。不但光源強度、光譜的穩定性會影響光學電壓傳感器的性能，而且這些光源需要專用的供電電源，工作壽命有限，例如LD的正常工作壽命一般為幾千小時，難以滿足電力系統電壓長期連續監測的要求。LED的正常工作壽命可達上萬小時，但其亮度和光譜穩定性易于受溫度影響，從而也將影響電壓傳感器的實際性能。

電致發光（EL）效應是指材料在直流或交流電場激發作用下直接發光，將電能直接轉換為光能的一種固體發光現象，目前主要用于光電顯示以及冷光源照明。1995年，已報道一種利用ZnS:Mn材料的交流薄膜電致發光陶瓷燈的壽命可達10⁴小時。利用某些電致發光材料的發光亮度與外加電場或電壓之間的相關性，已有基于電致發光效應的光學電壓或電場傳感器研究，例如利用ZnS:Mn和SiC電致發光材料的工頻電場傳感器。寧叔帆，于昕哲，徐陽等在2006年10月公開的西安交通大學學報中，提出了利用SiC電致發光特性在線測量防暈層表面電場分布，但該方法并不適合直接應用到電力系統的電壓測量中。公開號為102752893A的中國專利申請在2012年10月24日公開了一種用于高電壓測量的電致發光顯示器件，使用了電致發光材料層，在使用時根據產生的不同亮度的光對應的標記文字，來確定電壓數值范圍，但該方法實現了對電壓等級的顯示，并不能實現對被測電壓的準確測量。但目前利用電致發光線以及塊狀電致發光材料的光學電壓傳感器尚未見相關文獻報道。

發明內容

本發明的主要目的是為了解決目前光學電壓傳感器所用的光源問題，提出一種基于電致發光效應的光學電壓傳感器，并設計了利用電致發光線狀和塊狀兩種結構的電壓傳感頭，實現了工頻電壓有效值的絕緣性測量。

本發明提供的基于電致發光效應的光學電壓傳感器，包括兩個平行電極，電致發光材料加工成的電致發光層，多模光纖以及光電檢測電路；電致發光層處于兩個平行電極之間，電致發光層的電致發光材料斷面或者表面連接多模光纖的一端，多模光纖的另一端連接光電檢測電路。兩個平行電極引入電場，電致發光材料產生發光。

平行電極和電致發光層的第一種結構為：兩個平行電極分為內電極和外電極，都由金屬絲構成，作為內電極的金屬絲表面均勻地緊密包裹電致發光層，電致發光層的外部纏繞作為外電極的另一金屬絲。內電極金屬絲比外電極金屬絲粗。兩個平行電極和電致發光層的外部緊密包裹一層透明塑料保護層，從而形成電致發光線。通過在固體絕緣材料上鉆兩個互相垂直且互相連通的孔，將電致發光線和多模光纖分別插入兩個孔中并固定，實現電致發光線與多模光纖的光耦合。

平行電極和電致發光層的第二種結構為：兩個平行電極分為內電極和外電極，內電極為能夠承載一定電流的圓形金屬導線，其表面均勻、緊密包裹電致發光層，電致發光層的外部均勻、緊密包裹外電極，外電極可由一層透明導電薄膜構成，例如是能透光的銦錫氧化物（ITO）薄膜電極，外電極也可以由一層金屬薄膜構成。外電極的外部緊密包裹一層透明塑料保護層，從而形成電致發光線。通過在固體絕緣材料（PVC塑料）上鉆兩個互相垂直且互相連通的孔，將電致發光線和多模光纖分別插入兩個孔中并固定，實現電致發光線與多模光纖的光耦合。當外電極為金屬薄膜構成時，為了將電致發光耦合到多模光纖內，在與多模光纖端面正對的外電極處開一個與多模光纖芯直徑相等的圓孔。

平行電極和電致發光層的第三種結構為：所述的電致發光層和兩個平行電極均加工成直徑相等的圓片狀，單層片狀的電致發光層的上下表面分別緊密粘貼兩個金屬片電極。