基于駐極體的低功耗非接觸式電壓測(cè)量技術(shù)

李嘉晨，劉向明,劉 俊,高雅浩,彭思敏,張洲威,毋正偉，鄭鳳杰，任 仁，彭春榮

(1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049)

0 引言

電壓傳感器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)輸電、變電、配電等各個(gè)環(huán)節(jié)，為計(jì)量、測(cè)控和繼電保護(hù)裝置提供準(zhǔn)確、可靠的信號(hào)[1]。目前常用電壓傳感器主要包括接觸式和非接觸式，其中，接觸式需要與電力系統(tǒng)進(jìn)行電氣連接，缺少電氣隔離，存在安全隱患，而非接觸式迎合了現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)電壓測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)，具有更加安全可靠、設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)試方便等優(yōu)點(diǎn)。其中，基于電致發(fā)光效應(yīng)[2]和電光效應(yīng)[3-5]的非接觸式光學(xué)電壓傳感器是利用電光材料在外加電壓作用下光學(xué)特性發(fā)生改變，包括光輻射，一次電光效應(yīng)和二次電光效應(yīng)等，這種傳感器需要使用電光材料，元件加工難，成本高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性不高?；诜謮涸淼姆墙佑|式電壓傳感器[6-7]是利用電阻分壓、電容分壓或者阻容分壓的原理實(shí)現(xiàn)電壓的非接觸式測(cè)量，這種傳感器容易受到外界環(huán)境溫度、電壓變化和雜散電容的影響，帶來(lái)測(cè)量誤差。基于電荷感應(yīng)式的非接觸式電壓傳感器[8-10]是利用驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)使得敏感電極周期性地被遮蔽和暴露，在外界電壓作用下由于電荷感應(yīng)輸出包含待測(cè)電壓信號(hào)的交流信號(hào)，這種傳感器體積小，靈敏度高，但是由于存在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，功耗大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此亟需開(kāi)展小型化、低功耗、高性能的非接觸式電壓傳感器技術(shù)研究。對(duì)此，本文基于駐極體電容結(jié)構(gòu)，提出一種新型的非接觸式電壓測(cè)量技術(shù)。

1 駐極體式電壓傳感器設(shè)計(jì)與分析

1.1 工作原理

駐極體式電壓傳感器的非接觸式測(cè)量的工作原理如圖1所示，高壓輸電線與駐極體薄膜之間存在電勢(shì)差形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)產(chǎn)生靜電力的作用下，駐極體薄膜發(fā)生位移，導(dǎo)致駐極體薄膜上的導(dǎo)電薄膜與金屬電極間的電容發(fā)生變化，由于駐極體薄膜上的電荷數(shù)保持恒定，因此導(dǎo)電薄膜與金屬電極間的電壓發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電壓變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電壓的測(cè)量。本文提出的駐極體式微小型電壓傳感器設(shè)計(jì)，無(wú)需驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了低功耗測(cè)量，同時(shí)通過(guò)靜電力的方式實(shí)現(xiàn)了電壓的非接觸式測(cè)量。

圖1 傳感器的非接觸式電壓測(cè)量原理

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

駐極體式電壓傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，駐極體薄膜是一片極薄的圓形塑料膜片，在膜片的上方蒸發(fā)有金屬導(dǎo)電薄膜，用于感應(yīng)待測(cè)電壓大小，駐極體薄膜經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)駐極后，兩面分別駐有異性電荷。振動(dòng)薄膜的蒸金面向上，膜片的另一面與金屬電極之間用薄的絕緣襯圈隔離，駐極體薄膜的導(dǎo)電層與金屬電極形成電容結(jié)構(gòu)。駐極體結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖如圖3所示，將駐極體薄膜、絕緣襯圈、金屬電極按順序固定在一個(gè)金屬管殼中，并將其密封。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2 理論分析與建模仿真

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的駐極體式電壓傳感器，駐極體薄膜上的導(dǎo)電薄膜和金屬電極間構(gòu)成平行極板電容，其計(jì)算公式為

(1)

式中：ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；S為導(dǎo)電薄膜與金屬電極間的有效相對(duì)面積；d0為絕緣襯圈厚度。

當(dāng)駐極體薄膜上方有待測(cè)電壓時(shí)，可將駐極體薄膜上的導(dǎo)電薄膜接地，兩者之間存在電勢(shì)差，形成電場(chǎng)，駐極體薄膜受到靜電力作用，靜電力大小[11]為

(2)

式中：VS為待測(cè)電壓幅值；S為待測(cè)電壓源與駐極體薄膜之間的有效相對(duì)面積；h為待測(cè)電壓源與駐極體薄膜之間的距離。

當(dāng)駐極體薄膜受到靜電力作用發(fā)生位移時(shí)，駐極體薄膜可看作一個(gè)彈性元件，根據(jù)胡克定律，其位移與其受力成正比關(guān)系：

d=k·F

(3)

式中k為彈性系數(shù)，取決于駐極體薄膜的尺寸和材料。

根據(jù)式(2)、式(3)可得：

(4)

由式(4)可知，駐極體薄膜受到靜電力作用時(shí)的位移與待測(cè)電壓幅值的平方成正比。為了更好的研究?jī)烧叩年P(guān)系，利用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真。首先建立幾何模型，駐極體薄膜為圓形膜片，半徑為6 mm，厚度0.1 mm，膜片材料選為聚四氟乙烯，絕緣襯圈為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，厚度為0.1 mm，材料選為絕緣材料，金屬電極為圓形電極，半徑為6 mm，材料選為金屬銅。對(duì)建立的模型進(jìn)行物理場(chǎng)的選取、邊界條件的設(shè)定、網(wǎng)格的劃分以及有限元計(jì)算。利用COMSOL軟件中的參數(shù)掃描功能，在駐極體薄膜上方放置待測(cè)電壓源，改變待測(cè)電壓幅值，得到不同外加電壓作用下駐極體薄膜的位移量，這里的位移量為駐極體薄膜不同位置處位移量的平均值。圖4為駐極體薄膜在靜電力作用下的位移仿真和位移曲線圖。

(a)駐極體薄膜位移仿真圖

從圖4中可以看出，駐極體薄膜的位移與外加電壓幅值的平方成正比，理論與仿真結(jié)果一致。駐極體薄膜受到靜電力作用發(fā)生位移，此時(shí)駐極體薄膜和金屬電極間的電容為

(5)

駐極體薄膜上的電荷數(shù)量保持恒定為Q，此時(shí)駐極體薄膜和金屬電極間的電壓為

(6)

根據(jù)式(1)可知：

Q=C0U0

(7)

式中C0、U0為駐極體薄膜未發(fā)生位移時(shí)，駐極體薄膜和金屬電極間的初始電容和初始電壓。

因此，根據(jù)式(4)～式(7)可得：

(8)

根據(jù)式(8)可知，駐極體薄膜和金屬電極間的電壓與待測(cè)電壓幅值的平方成正比。

當(dāng)待測(cè)電壓為交流電壓VS=Vmcos(ωt)時(shí)，式(8)可表示為

(9)

根據(jù)式(9)可知，當(dāng)待測(cè)電壓為交流電壓時(shí)，駐極體電容結(jié)構(gòu)的兩端輸出電壓包含直流量和施加電壓頻率的二倍頻分量。因此，本文通過(guò)檢測(cè)二倍頻分量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電壓的測(cè)量，同時(shí)對(duì)同頻干擾信號(hào)進(jìn)行了抑制，提高了信噪比。其中，輸出電壓的二倍頻量的幅值與待測(cè)電壓幅值的平方成正比。

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建

對(duì)于駐極體式電壓傳感器，駐極體薄膜在靜電力作用下發(fā)生微小振動(dòng)，導(dǎo)致駐極體電容結(jié)構(gòu)的電容量發(fā)生微小變化，進(jìn)而使得駐極體電容兩端輸出微弱電壓信號(hào)。由于駐極體薄膜與金屬電極之間的電容量很小，輸出阻抗極大，因此駐極體電容結(jié)構(gòu)不能直接與放大電路相連接，必須進(jìn)行阻抗變換。場(chǎng)效應(yīng)管(FET)是一種靠柵源極之間的電壓控制漏源極之間電流的半導(dǎo)體器件，輸入阻抗特別高、噪聲低、功耗低和動(dòng)態(tài)范圍大。駐極體電容結(jié)構(gòu)是一個(gè)高內(nèi)阻并且輸出信號(hào)比較微弱的信號(hào)源，因此為了提取這個(gè)微弱的電信號(hào)，本文利用FET的高輸入阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗變換，從而獲得比較高的FET柵源極間電壓，得到比較大的輸出信號(hào)，提高了駐極體式電壓傳感器的靈敏度，阻抗變換電路如圖5所示，其中，RL為偏置電阻，Vd為直流電壓，用于提供直流偏置使得場(chǎng)效應(yīng)管工作在放大狀態(tài)，Vout為輸出交流信號(hào)電壓。駐極體薄膜上的金屬導(dǎo)電層通過(guò)金屬管殼與場(chǎng)效應(yīng)管的源極共地，當(dāng)駐極體薄膜隨外界靜電力作用發(fā)生振動(dòng)時(shí)，電容變化會(huì)導(dǎo)致FET的柵源極(G-S)兩端電壓變化，隨之漏源極(D-S)之間的電流會(huì)發(fā)生變化，電流變化會(huì)導(dǎo)致偏置電阻上的分壓變化，于是漏源極(D-S)之間的電壓發(fā)生變化，其電壓變化量和偏置電阻RL上的電壓變化量相等，都等于輸出的交流信號(hào)電壓Vout。

圖5 阻抗變換原理圖

駐極體電容結(jié)構(gòu)的阻抗變換電路的等效電路如圖6所示，駐極體電容結(jié)構(gòu)兩端為場(chǎng)效應(yīng)管(FET)提供柵源電壓，直流電壓Vd為場(chǎng)效應(yīng)管(FET)提供偏置電壓，使其工作在線性放大區(qū)(飽和區(qū))。由于Rgs很大，因此駐極體電容結(jié)構(gòu)兩端電壓不會(huì)放電。Rds相對(duì)RL很大可以忽略，因此交流輸出電壓為：

圖6 阻抗變換電路的等效電路圖

Vout=gm·Vgs·RL

(10)

由式(10)可知，輸出電壓Vout和柵源電壓Vgs成正比，即和駐極體電容結(jié)構(gòu)兩端輸出電壓成正比，又根據(jù)式(9)可知，駐極體電容結(jié)構(gòu)兩端電壓含外加電壓的二倍頻分量，且與外加電壓幅值的平方成正比，因此，本文通過(guò)檢測(cè)輸出電壓的二倍頻分量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外加電壓的測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)駐極體式電壓傳感器的性能測(cè)試，構(gòu)建了傳感器的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖7(a)所示，駐極體電容結(jié)構(gòu)兩端輸出電壓為場(chǎng)效應(yīng)管提供柵源電壓Vgs，電源模塊提供偏置電壓使得場(chǎng)效應(yīng)管工作在線性放大區(qū)(飽和區(qū))，駐極體電容結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)阻抗變換后輸出交流信號(hào)電壓，將該信號(hào)與鎖相放大器內(nèi)部參考信號(hào)進(jìn)行相干處理，濾除噪聲后采集，得到待測(cè)電壓的幅值信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電壓的測(cè)量。圖7(b)為測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試原理圖，其中，鎖相放大器包括輸入信號(hào)通道、參考信號(hào)通道、相敏檢波器和低通濾波器等。輸入信號(hào)需要經(jīng)過(guò)前置放大以及濾波處理，參考信號(hào)作移相處理，其中，參考信號(hào)為鎖相放大器的內(nèi)部參考信號(hào)，將輸入信號(hào)和內(nèi)部參考信號(hào)作相干處理，并將相敏檢波得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波和直流放大得到輸出信號(hào)。

(a)測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖8為測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖。測(cè)試系統(tǒng)包括：電源模塊、駐極體式電容結(jié)構(gòu)、阻抗變換電路、待測(cè)電壓源、鎖相放大器以及上位機(jī)。駐極體式電容結(jié)構(gòu)內(nèi)置于金屬管殼中，并將其接入阻抗變換電路，輸出信號(hào)通過(guò)鎖相放大器與上位機(jī)相連，其中，將整個(gè)金屬管殼和阻抗變換電路倒扣在聚四氟乙烯絕緣板上并放在金屬極板上，駐極體薄膜與金屬極板之間存在間距。待測(cè)電壓源正端與金屬極板相連，負(fù)端接入電路，與駐極體式電容結(jié)構(gòu)共地。待測(cè)電壓源為2558A高精度電源，可以調(diào)節(jié)電壓的頻率和幅值。在測(cè)量時(shí)，在不同電壓作用下，駐極體電容兩端電壓發(fā)生變化，經(jīng)阻抗變換后輸出交流電壓信號(hào)，送入鎖相放大器中進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，從而得到輸出電壓。傳感器測(cè)試時(shí)，電源模塊為傳感器電路提供5 V供電，此時(shí)傳感器的靜態(tài)工作電流為0.367 mA。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

4 性能測(cè)試與結(jié)果分析

利用上述測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)傳感器進(jìn)行性能測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中，傳感器分別在頻率600、800、1 000 Hz的電壓響應(yīng)曲線如圖9所示。

(a)600 Hz下傳感器的電壓響應(yīng)

由圖9可以看出，傳感器輸出電壓與待測(cè)電壓之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，兩者呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系。根據(jù)前文理論分析，傳感器輸出電壓經(jīng)過(guò)阻抗變換和鎖相放大后與待測(cè)電壓之間呈現(xiàn)非線性，輸出電壓與待測(cè)電壓幅值的平方成正比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。圖10為傳感器在不同被測(cè)電壓作用下的頻率響應(yīng)曲線，可以實(shí)現(xiàn)多次諧波信號(hào)的測(cè)量。

圖10 實(shí)際測(cè)試中不同電壓下傳感器的頻率響應(yīng)圖

由于傳感器的輸出響應(yīng)曲線為非線性曲線，因此對(duì)不同頻率下傳感器的響應(yīng)曲線進(jìn)行分段線性擬合。圖11為傳感器分別在頻率600、800、1 000 Hz的被測(cè)電壓作用下，傳感器3組正反行程的數(shù)據(jù)測(cè)試曲線。

從圖11可知，在不同頻率下傳感器的輸出響應(yīng)在某段范圍內(nèi)是線性的。通過(guò)計(jì)算可得到傳感器在不同頻率600、800、1000 Hz電壓作用下的傳感器的性能指標(biāo)，如表1所示。

(a)600 Hz下傳感器的輸出響應(yīng)曲線

表1 傳感器的性能指標(biāo)

根據(jù)表1可知，傳感器在不同頻率的待測(cè)電壓作用下取得了較好的線性度、靈敏度和重復(fù)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并設(shè)計(jì)了一種駐極體電容結(jié)構(gòu)的新型低功耗、微小型化非接觸式電壓傳感器。傳感器無(wú)需提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了低功耗測(cè)量；通過(guò)電場(chǎng)產(chǎn)生靜電力的方式實(shí)現(xiàn)了電壓的非接觸式測(cè)量，具有更加安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試方便等優(yōu)點(diǎn)；采用檢測(cè)傳感器的二倍頻輸出分量，有效抑制了同頻耦合干擾，進(jìn)一步提高了輸出信噪比。采取阻抗變換的電路設(shè)計(jì)，功耗不超過(guò)2 mW，實(shí)現(xiàn)了傳感器低功耗電壓測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，傳感器輸出響應(yīng)特性與理論分析吻合，實(shí)現(xiàn)了高性能電壓測(cè)量，在施加600、800、1 000 Hz被測(cè)電壓條件下，傳感器的線性度分別達(dá)到6.1%、3.5%、2.7%，重復(fù)性分別達(dá)到9.67%、5.93%、5.46%，獲得了較好的線性度和重復(fù)性。