张国帅 吕正超

摘 要

本文在十字固端梁光学应变结构的基础上，针对其应变较小，容易受到外界震动、杂波及微扰动影响的缺点，对其进行结构优化。基于硅微机械加工原理设计了一种轿型新型传感应变结构。利用有限元分析法对两种结构进行了对比，表明轿型结构应变单元应变较大，具有一定程度的抗干扰能力，实现了一定范围内的低频交流电压、直流电压及静电电压的测量。

关键词

电压测量;微型结构;轿型结构

中图分类号： TM933.2      文献标识码： 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 课题研究的背景和意义

传统电压测量方法有电阻分压法和阻容分压法[1，2]。国内外各大电气厂商依据这两种方法，制成了各种类型的电压传感器，实现了各电压等级的测量。但这些电压传感器往往存在磁饱和、铁磁谐振、容易受到电磁干扰等影响。同时由于存在电子元件组成的放大器、跟随器，不具备积累电荷的特性，无法实现静电电压的测量[3]。为此本文以静电电压表测量方法为基础，充分发挥静电电压表输入阻抗高，体积小重量轻等优点，利用光学法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）光电传感机理[4]及边带解调原理的优势，整体提升电压测量的抗电磁干扰能力、精度及安全性。

1 电压传感数学模型

为了最大限度减小传感器的整体尺寸，采用MEMS硅微加工方法制成电-力耦合传感应变单元。在电场作用下，其应变数量级在几十微米左右。相比于整个平行极板而言，该应变对平板间均匀电场的影响可以忽略不计。因此在制作电压传感器的时候，可以将其置于接地电极中心。

2 电压传感应变结构的设计及优化

对厚度为30μm，主应变单元为3.5mm×3.5mm的十字固端梁应变结构分别在20kV/cm及40kV/cm电场下進行有限元仿真测量，结果如图2所示。从测量结果可以看出，在20kV/cm较高场强下，十字固端梁的应变仅有几十纳米;在实验室所能达到的40kV/cm极限场强下，十字固端梁的应变仅有300纳米。在实际测量时，由于其应变较小，在外界环境震动、杂波及微扰动干扰的情况下，测量的准确度不高，受影响较大。

在保证传感单元结构小巧、简单、易于加工、降低成本的基础上，对应变的结构进行优化设计。为进一步保证F-P腔的结构稳定、应变理想，采用轿型应变结构进行优化设计。

通过COMSOL有限元仿真软件，设计相应的边界条件及载荷约束，令轿型结构的梁端部固定，电场力垂直施加应变结构表面。通过改变厚度、主应变单元大小、梁的尺寸等因素，对其应变进行仿真。为均衡静电电压传感器的整体尺寸，造价及一阶固有频率，希望将应变单元的尺寸控制在2cm×2cm尺寸内，同时获得较高的应变。最终确定其厚度为20μm，主应变单元大小为10mm×10mm，梁的大小为2mm×0.3mm，对其进行不同电场下应变仿真，如图3所示。

通过对轿型传感单元的应变方针研究，得出了表1所示的不同电压下传感单元应变仿真结果，可以看出在相同电场强度下，所设计的轿型结构应变约比十字固端梁结构的大3个数量级，在40kV/cm电场作用下，轿型结构的应变仅为0.1mm。

此时，由于应变的增大，虽然震动、杂波及微扰动所产生的应变可以忽略，但却产生了另一个方面的问题。由于采用了30μm厚度和更小的尺寸，十字固端梁的一阶固有频率为10621Hz，远高于交流电频率，因此既可以用来测量交流电压，又可以测量直流电压及静电电压。

由于静电电压表不从电路中吸收功率，在测量交流电压时，通过测量表计通过的电流和仪表本身的电容大小来判断电压频率的高低。而轿型结构的传感单元一阶固有频率为476.17Hz，如图4所示。虽然高于50Hz工频频率，但是对于9次谐波甚至更高频率电压的测量却无能为力。因此轿型结构传感单元可以实现低频交流电压、直流电压及静电电压的测量。

3 结论

通过硅微加工原理，设计了一种尺寸为1.4mm×1.4mm×0.2μm的轿型传感应变结构。与十字固端梁传感结构相比，在相同电场强度下，其应变更大，有效提升了抗震动、杂波及微扰动的能力，有效提升了对交流电压、直流电压、静电电压的抗干扰能力及测量效果。由于牺牲了一阶固有频率属性，所设计的轿型应变结构电压传感单元无法测量高频交流电压。

参考文献

[1]姜春阳，刘浩，周峰，殷小东，袁建平，李明.有源电容式分压器的研制[J].电测与仪表：1-5.

[2]李文婷，龙兆芝，乔培武，郭洁.一种新型的电容分压器电场优化结构[J].高压电器，2018，54（10）：76-79.

[3]黄伦，卢鹏博，张欣宜.一种新型高可靠性电容式电压传感器研究[J].中国设备工程，2019（21）：189-190.

[4]张天瑜，穆争鸣，周萌，张晓彤，陈晨，冷云峰.基于法布里-珀罗干涉技术的电压传感器的研究[J].激光杂志，2019，40（10）：1-5.