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基于电致发光的光学电压传感器

发布时间:2019-01-29 访问次数:418次 来源: 柔性电子服务平台 分享:

光学电压(或电场)传感器具有电气绝缘能力强、响应频带宽、体积小、重量轻、不存在磁饱和问题、无爆炸危险、易于实现与电气通信网络的连接等优点。自上世纪80年代以来,人们开始研究光学电压(或电场)传感器用以取代上高电压测量领域的传统电压互感器。尽管人们已经在此领域做了大量的研究开发工作,但到目前为止,还有许多实际问题没有解决,尚未获得完全成熟、可靠的光学电压传感器。

为了保证电网供电长期不间断,电力系统中的电力设备(包括电压互感器)必须能够保证期可靠运行(例如10年以上),因此,对于应用于电力系统的光学电压传感器,光源正常工作的寿命也应不少于10年,但目前传感器所用发光二极管(LED)光源的连续工作寿命一般约50000 h(约5.7年),而半导体激光源(LD)的正常工作寿命通常小于LED,一般不超过25000 h(约2.9年)。

电(或场)致发光效应是指某些材料在外加电压(或电场)的作用下产生光辐射的现象,一般可分为低场致发光和高场致发光两大类。低场致发光主要是指半导体p结发光高场致发光主要是指某些材料不能形成和利用p结,而是借助于MS结(指金属半导体结)或MIS结(指金属绝缘层半导体结)产生的场致发光。高场致发光材料主要包括无机材料、有机材料以及无机和有机复合型材料。利用固体电致发光材料的发光亮度与外加电压之间的相关性,通过测量材料出射光强度即可实现电压的测量。

下图是一种典型电致发光型电场传感单元结构示意图,将光纤埋入固体ZnS:Mn电致发光材料中,被测外加电场直接作用于发光材料,当电场强度大于材料的发光阈值电场时,发光材料发光,并经过光纤传输到光电探测器。

基于低场致发光材料或器件的电压传感机理主要是将被测电压U施加于高阻值限流电阻R和发光二极管(LED)的串联电路,获得与被测电压成线性关系并能够驱动LED发光的微弱电流。

2013年,报道了一种基于电致发光线的电压传感器,其电压传感元件为利用ZnS:Cu粉末材料制成的电致发光线,当选用的发光线长度约为2cm时,其工频交流输入阻抗约为35MΩ。通过合理利用电致发光亮度与被测电压的非线性关系、以及光电探测器开路电压与其入射光强度之间的非线性关系,实现了100-500 V工频电压有效值的近似线性测量,其发光起始电压约为80V,发光谱线的峰值波长约为525nm。

目前己经用于电压(或电场)传感的电致发光材料主要包括ZnS: Mn,ZnS: Cu和SiC粉末等无机、高场致发光材料,此外还有典型的低场致发光器件LED。