基于驻极体的低功耗非接触式电压测量技术

李嘉晨，刘向明,刘 俊,高雅浩,彭思敏,张洲威,毋正伟，郑凤杰，任 仁，彭春荣

(1.中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室，北京 100190； 2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049)

0 引言

电压传感器广泛应用于电力系统输电、变电、配电等各个环节，为计量、测控和继电保护装置提供准确、可靠的信号[1]。目前常用电压传感器主要包括接触式和非接触式，其中，接触式需要与电力系统进行电气连接，缺少电气隔离，存在安全隐患，而非接触式迎合了现代电力系统对电压测量的发展趋势，具有更加安全可靠、设备简单、测试方便等优点。其中，基于电致发光效应[2]和电光效应[3-5]的非接触式光学电压传感器是利用电光材料在外加电压作用下光学特性发生改变，包括光辐射，一次电光效应和二次电光效应等，这种传感器需要使用电光材料，元件加工难，成本高，长期稳定性和可靠性不高。基于分压原理的非接触式电压传感器[6-7]是利用电阻分压、电容分压或者阻容分压的原理实现电压的非接触式测量，这种传感器容易受到外界环境温度、电压变化和杂散电容的影响，带来测量误差。基于电荷感应式的非接触式电压传感器[8-10]是利用驱动结构使得敏感电极周期性地被遮蔽和暴露，在外界电压作用下由于电荷感应输出包含待测电压信号的交流信号，这种传感器体积小，灵敏度高，但是由于存在驱动结构，功耗大，结构复杂。因此亟需开展小型化、低功耗、高性能的非接触式电压传感器技术研究。对此，本文基于驻极体电容结构，提出一种新型的非接触式电压测量技术。

1 驻极体式电压传感器设计与分析

1.1 工作原理

驻极体式电压传感器的非接触式测量的工作原理如图1所示，高压输电线与驻极体薄膜之间存在电势差形成电场，在电场产生静电力的作用下，驻极体薄膜发生位移，导致驻极体薄膜上的导电薄膜与金属电极间的电容发生变化，由于驻极体薄膜上的电荷数保持恒定，因此导电薄膜与金属电极间的电压发生变化，通过测量电压变化可实现对待测电压的测量。本文提出的驻极体式微小型电压传感器设计，无需驱动信号，实现了低功耗测量，同时通过静电力的方式实现了电压的非接触式测量。

图1 传感器的非接触式电压测量原理

1.2 结构设计与分析

驻极体式电压传感器的结构设计如图2所示，驻极体薄膜是一片极薄的圆形塑料膜片，在膜片的上方蒸发有金属导电薄膜，用于感应待测电压大小，驻极体薄膜经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。振动薄膜的蒸金面向上，膜片的另一面与金属电极之间用薄的绝缘衬圈隔离，驻极体薄膜的导电层与金属电极形成电容结构。驻极体结构的实物图如图3所示，将驻极体薄膜、绝缘衬圈、金属电极按顺序固定在一个金属管壳中，并将其密封。

图2 传感器结构设计图

图3 传感器结构实物图

2 理论分析与建模仿真

对于本文设计的驻极体式电压传感器，驻极体薄膜上的导电薄膜和金属电极间构成平行极板电容，其计算公式为

(1)

式中：ε0为真空介电常数；εr为相对介电常数；S为导电薄膜与金属电极间的有效相对面积；d0为绝缘衬圈厚度。

当驻极体薄膜上方有待测电压时，可将驻极体薄膜上的导电薄膜接地，两者之间存在电势差，形成电场，驻极体薄膜受到静电力作用，静电力大小[11]为

(2)

式中：VS为待测电压幅值；S为待测电压源与驻极体薄膜之间的有效相对面积；h为待测电压源与驻极体薄膜之间的距离。

当驻极体薄膜受到静电力作用发生位移时，驻极体薄膜可看作一个弹性元件，根据胡克定律，其位移与其受力成正比关系：

d=k·F

(3)

式中k为弹性系数，取决于驻极体薄膜的尺寸和材料。

根据式(2)、式(3)可得：

(4)

由式(4)可知，驻极体薄膜受到静电力作用时的位移与待测电压幅值的平方成正比。为了更好的研究两者的关系，利用COMSOL有限元仿真软件对传感器结构进行建模仿真。首先建立几何模型，驻极体薄膜为圆形膜片，半径为6 mm，厚度0.1 mm，膜片材料选为聚四氟乙烯，绝缘衬圈为圆环结构，厚度为0.1 mm，材料选为绝缘材料，金属电极为圆形电极，半径为6 mm，材料选为金属铜。对建立的模型进行物理场的选取、边界条件的设定、网格的划分以及有限元计算。利用COMSOL软件中的参数扫描功能，在驻极体薄膜上方放置待测电压源，改变待测电压幅值，得到不同外加电压作用下驻极体薄膜的位移量，这里的位移量为驻极体薄膜不同位置处位移量的平均值。图4为驻极体薄膜在静电力作用下的位移仿真和位移曲线图。

(a)驻极体薄膜位移仿真图

从图4中可以看出，驻极体薄膜的位移与外加电压幅值的平方成正比，理论与仿真结果一致。驻极体薄膜受到静电力作用发生位移，此时驻极体薄膜和金属电极间的电容为

(5)

驻极体薄膜上的电荷数量保持恒定为Q，此时驻极体薄膜和金属电极间的电压为

(6)

根据式(1)可知：

Q=C0U0

(7)

式中C0、U0为驻极体薄膜未发生位移时，驻极体薄膜和金属电极间的初始电容和初始电压。

因此，根据式(4)～式(7)可得：

(8)

根据式(8)可知，驻极体薄膜和金属电极间的电压与待测电压幅值的平方成正比。

当待测电压为交流电压VS=Vmcos(ωt)时，式(8)可表示为

(9)

根据式(9)可知，当待测电压为交流电压时，驻极体电容结构的两端输出电压包含直流量和施加电压频率的二倍频分量。因此，本文通过检测二倍频分量来实现对待测电压的测量，同时对同频干扰信号进行了抑制，提高了信噪比。其中，输出电压的二倍频量的幅值与待测电压幅值的平方成正比。

3 测试系统设计与搭建

对于驻极体式电压传感器，驻极体薄膜在静电力作用下发生微小振动，导致驻极体电容结构的电容量发生微小变化，进而使得驻极体电容两端输出微弱电压信号。由于驻极体薄膜与金属电极之间的电容量很小，输出阻抗极大，因此驻极体电容结构不能直接与放大电路相连接，必须进行阻抗变换。场效应管(FET)是一种靠栅源极之间的电压控制漏源极之间电流的半导体器件，输入阻抗特别高、噪声低、功耗低和动态范围大。驻极体电容结构是一个高内阻并且输出信号比较微弱的信号源，因此为了提取这个微弱的电信号，本文利用FET的高输入阻抗来实现阻抗变换，从而获得比较高的FET栅源极间电压，得到比较大的输出信号，提高了驻极体式电压传感器的灵敏度，阻抗变换电路如图5所示，其中，RL为偏置电阻，Vd为直流电压，用于提供直流偏置使得场效应管工作在放大状态，Vout为输出交流信号电压。驻极体薄膜上的金属导电层通过金属管壳与场效应管的源极共地，当驻极体薄膜随外界静电力作用发生振动时，电容变化会导致FET的栅源极(G-S)两端电压变化，随之漏源极(D-S)之间的电流会发生变化，电流变化会导致偏置电阻上的分压变化，于是漏源极(D-S)之间的电压发生变化，其电压变化量和偏置电阻RL上的电压变化量相等，都等于输出的交流信号电压Vout。

图5 阻抗变换原理图

驻极体电容结构的阻抗变换电路的等效电路如图6所示，驻极体电容结构两端为场效应管(FET)提供栅源电压，直流电压Vd为场效应管(FET)提供偏置电压，使其工作在线性放大区(饱和区)。由于Rgs很大，因此驻极体电容结构两端电压不会放电。Rds相对RL很大可以忽略，因此交流输出电压为：

图6 阻抗变换电路的等效电路图

Vout=gm·Vgs·RL

(10)

由式(10)可知，输出电压Vout和栅源电压Vgs成正比，即和驻极体电容结构两端输出电压成正比，又根据式(9)可知，驻极体电容结构两端电压含外加电压的二倍频分量，且与外加电压幅值的平方成正比，因此，本文通过检测输出电压的二倍频分量来实现对外加电压的测量。

为了实现驻极体式电压传感器的性能测试，构建了传感器的测试系统平台，测试系统框图如图7(a)所示，驻极体电容结构两端输出电压为场效应管提供栅源电压Vgs，电源模块提供偏置电压使得场效应管工作在线性放大区(饱和区)，驻极体电容结构经过阻抗变换后输出交流信号电压，将该信号与锁相放大器内部参考信号进行相干处理，滤除噪声后采集，得到待测电压的幅值信息，实现对待测电压的测量。图7(b)为测试系统的测试原理图，其中，锁相放大器包括输入信号通道、参考信号通道、相敏检波器和低通滤波器等。输入信号需要经过前置放大以及滤波处理，参考信号作移相处理，其中，参考信号为锁相放大器的内部参考信号，将输入信号和内部参考信号作相干处理，并将相敏检波得到的信号经过低通滤波和直流放大得到输出信号。

(a)测试系统框图

图8为测试系统实物图。测试系统包括：电源模块、驻极体式电容结构、阻抗变换电路、待测电压源、锁相放大器以及上位机。驻极体式电容结构内置于金属管壳中，并将其接入阻抗变换电路，输出信号通过锁相放大器与上位机相连，其中，将整个金属管壳和阻抗变换电路倒扣在聚四氟乙烯绝缘板上并放在金属极板上，驻极体薄膜与金属极板之间存在间距。待测电压源正端与金属极板相连，负端接入电路，与驻极体式电容结构共地。待测电压源为2558A高精度电源，可以调节电压的频率和幅值。在测量时，在不同电压作用下，驻极体电容两端电压发生变化，经阻抗变换后输出交流电压信号，送入锁相放大器中进行相关检测，从而得到输出电压。传感器测试时，电源模块为传感器电路提供5 V供电，此时传感器的静态工作电流为0.367 mA。

图8 测试系统实物图

4 性能测试与结果分析

利用上述测试系统，对传感器进行性能测试和实验验证。其中，传感器分别在频率600、800、1 000 Hz的电压响应曲线如图9所示。

(a)600 Hz下传感器的电压响应

由图9可以看出，传感器输出电压与待测电压之间呈现非线性关系，两者呈现二次函数关系。根据前文理论分析，传感器输出电压经过阻抗变换和锁相放大后与待测电压之间呈现非线性，输出电压与待测电压幅值的平方成正比，实验结果与理论分析吻合。图10为传感器在不同被测电压作用下的频率响应曲线，可以实现多次谐波信号的测量。

图10 实际测试中不同电压下传感器的频率响应图

由于传感器的输出响应曲线为非线性曲线，因此对不同频率下传感器的响应曲线进行分段线性拟合。图11为传感器分别在频率600、800、1 000 Hz的被测电压作用下，传感器3组正反行程的数据测试曲线。

从图11可知，在不同频率下传感器的输出响应在某段范围内是线性的。通过计算可得到传感器在不同频率600、800、1000 Hz电压作用下的传感器的性能指标，如表1所示。

(a)600 Hz下传感器的输出响应曲线

表1 传感器的性能指标

根据表1可知，传感器在不同频率的待测电压作用下取得了较好的线性度、灵敏度和重复性。

5 结束语

本文提出并设计了一种驻极体电容结构的新型低功耗、微小型化非接触式电压传感器。传感器无需提供驱动信号，实现了低功耗测量；通过电场产生静电力的方式实现了电压的非接触式测量，具有更加安全可靠、结构简单、测试方便等优点；采用检测传感器的二倍频输出分量，有效抑制了同频耦合干扰，进一步提高了输出信噪比。采取阻抗变换的电路设计，功耗不超过2 mW，实现了传感器低功耗电压测量。实验测试结果表明，传感器输出响应特性与理论分析吻合，实现了高性能电压测量，在施加600、800、1 000 Hz被测电压条件下，传感器的线性度分别达到6.1%、3.5%、2.7%，重复性分别达到9.67%、5.93%、5.46%，获得了较好的线性度和重复性。