張國帥 呂正超

摘 要

本文在十字固端梁光學(xué)應(yīng)變結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對其應(yīng)變較小，容易受到外界震動、雜波及微擾動影響的缺點，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。基于硅微機械加工原理設(shè)計了一種轎型新型傳感應(yīng)變結(jié)構(gòu)。利用有限元分析法對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比，表明轎型結(jié)構(gòu)應(yīng)變單元應(yīng)變較大，具有一定程度的抗干擾能力，實現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的低頻交流電壓、直流電壓及靜電電壓的測量。

關(guān)鍵詞

電壓測量;微型結(jié)構(gòu);轎型結(jié)構(gòu)

中圖分類號： TM933.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.020

Abstract

Based on the optical strain structure of the cross fixed beam，aiming at its shortcomings，which has small strain and is easy to be affected by external vibration，clutter and micro disturbance.This paper optimizes its structure，and designs a new type of sensing strain palanquin structure based on the principle of silicon micromachining.The finite element analysis method is used to compare the two structures.The results show that the strain element of palanquin structure has large strain and anti-interference ability to a certain extent. The measurement of low-frequency AC voltage，DC voltage and electrostatic voltage in a certain range is realized.

Key Words

Voltage measurement;Micro structure;Palanquin structure

0 課題研究的背景和意義

傳統(tǒng)電壓測量方法有電阻分壓法和阻容分壓法[1，2]。國內(nèi)外各大電氣廠商依據(jù)這兩種方法，制成了各種類型的電壓傳感器，實現(xiàn)了各電壓等級的測量。但這些電壓傳感器往往存在磁飽和、鐵磁諧振、容易受到電磁干擾等影響。同時由于存在電子元件組成的放大器、跟隨器，不具備積累電荷的特性，無法實現(xiàn)靜電電壓的測量[3]。為此本文以靜電電壓表測量方法為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮靜電電壓表輸入阻抗高，體積小重量輕等優(yōu)點，利用光學(xué)法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）光電傳感機理[4]及邊帶解調(diào)原理的優(yōu)勢，整體提升電壓測量的抗電磁干擾能力、精度及安全性。

1 電壓傳感數(shù)學(xué)模型

為了最大限度減小傳感器的整體尺寸，采用MEMS硅微加工方法制成電-力耦合傳感應(yīng)變單元。在電場作用下，其應(yīng)變數(shù)量級在幾十微米左右。相比于整個平行極板而言，該應(yīng)變對平板間均勻電場的影響可以忽略不計。因此在制作電壓傳感器的時候，可以將其置于接地電極中心。

2 電壓傳感應(yīng)變結(jié)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化

對厚度為30μm，主應(yīng)變單元為3.5mm×3.5mm的十字固端梁應(yīng)變結(jié)構(gòu)分別在20kV/cm及40kV/cm電場下進(jìn)行有限元仿真測量，結(jié)果如圖2所示。從測量結(jié)果可以看出，在20kV/cm較高場強下，十字固端梁的應(yīng)變僅有幾十納米;在實驗室所能達(dá)到的40kV/cm極限場強下，十字固端梁的應(yīng)變僅有300納米。在實際測量時，由于其應(yīng)變較小，在外界環(huán)境震動、雜波及微擾動干擾的情況下，測量的準(zhǔn)確度不高，受影響較大。

在保證傳感單元結(jié)構(gòu)小巧、簡單、易于加工、降低成本的基礎(chǔ)上，對應(yīng)變的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。為進(jìn)一步保證F-P腔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、應(yīng)變理想，采用轎型應(yīng)變結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

通過COMSOL有限元仿真軟件，設(shè)計相應(yīng)的邊界條件及載荷約束，令轎型結(jié)構(gòu)的梁端部固定，電場力垂直施加應(yīng)變結(jié)構(gòu)表面。通過改變厚度、主應(yīng)變單元大小、梁的尺寸等因素，對其應(yīng)變進(jìn)行仿真。為均衡靜電電壓傳感器的整體尺寸，造價及一階固有頻率，希望將應(yīng)變單元的尺寸控制在2cm×2cm尺寸內(nèi)，同時獲得較高的應(yīng)變。最終確定其厚度為20μm，主應(yīng)變單元大小為10mm×10mm，梁的大小為2mm×0.3mm，對其進(jìn)行不同電場下應(yīng)變仿真，如圖3所示。

通過對轎型傳感單元的應(yīng)變方針研究，得出了表1所示的不同電壓下傳感單元應(yīng)變仿真結(jié)果，可以看出在相同電場強度下，所設(shè)計的轎型結(jié)構(gòu)應(yīng)變約比十字固端梁結(jié)構(gòu)的大3個數(shù)量級，在40kV/cm電場作用下，轎型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變僅為0.1mm。

此時，由于應(yīng)變的增大，雖然震動、雜波及微擾動所產(chǎn)生的應(yīng)變可以忽略，但卻產(chǎn)生了另一個方面的問題。由于采用了30μm厚度和更小的尺寸，十字固端梁的一階固有頻率為10621Hz，遠(yuǎn)高于交流電頻率，因此既可以用來測量交流電壓，又可以測量直流電壓及靜電電壓。

由于靜電電壓表不從電路中吸收功率，在測量交流電壓時，通過測量表計通過的電流和儀表本身的電容大小來判斷電壓頻率的高低。而轎型結(jié)構(gòu)的傳感單元一階固有頻率為476.17Hz，如圖4所示。雖然高于50Hz工頻頻率，但是對于9次諧波甚至更高頻率電壓的測量卻無能為力。因此轎型結(jié)構(gòu)傳感單元可以實現(xiàn)低頻交流電壓、直流電壓及靜電電壓的測量。

3 結(jié)論

通過硅微加工原理，設(shè)計了一種尺寸為1.4mm×1.4mm×0.2μm的轎型傳感應(yīng)變結(jié)構(gòu)。與十字固端梁傳感結(jié)構(gòu)相比，在相同電場強度下，其應(yīng)變更大，有效提升了抗震動、雜波及微擾動的能力，有效提升了對交流電壓、直流電壓、靜電電壓的抗干擾能力及測量效果。由于犧牲了一階固有頻率屬性，所設(shè)計的轎型應(yīng)變結(jié)構(gòu)電壓傳感單元無法測量高頻交流電壓。

參考文獻(xiàn)

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[2]李文婷，龍兆芝，喬培武，郭潔.一種新型的電容分壓器電場優(yōu)化結(jié)構(gòu)[J].高壓電器，2018，54（10）：76-79.

[3]黃倫，盧鵬博，張欣宜.一種新型高可靠性電容式電壓傳感器研究[J].中國設(shè)備工程，2019（21）：189-190.

[4]張?zhí)扈?，穆爭鳴，周萌，張曉彤，陳晨，冷云峰.基于法布里-珀羅干涉技術(shù)的電壓傳感器的研究[J].激光雜志，2019，40（10）：1-5.