ZnS…Cu电致发光电压传感器及其温度漂移补偿
2017-08-01李长胜王伟岐
李长胜, 陈 佳, 王伟岐, 郑 岩
(1.北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院光电工程系,北京 100191；2.上海科润光电技术有限公司,上海 201619)
ZnS…Cu电致发光电压传感器及其温度漂移补偿
李长胜1*, 陈 佳1, 王伟岐1, 郑 岩2
(1.北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院光电工程系,北京 100191；2.上海科润光电技术有限公司,上海 201619)
利用ZnS…Cu电致发光粉末与环氧树脂胶混合，设计制作了一种梯形电极结构的电压传感单元，实现了电致发光电压传感器输出信号的温度漂移补偿。电致发光电压传感信号通过2根塑料光纤传输到2个硅光电探测器，并选择其开路电压作为传感器的输出信号。在同一外加电压条件下，梯形电极区域内的电场分布是不均匀的，因而不同场点的发光亮度不同。通过测量梯形电极区域内2个不同发光点的发光强度随外加电压的变化，并对两路输出电压传感信号进行数据拟合与计算，可获知被测电压的有效值，并可实现对输出信号温度漂移的补偿。在-40～60 ℃范围内，采用上述温度漂移补偿方法测量了有效值在0.7～1.5 kV范围内的工频电压，传感器输出信号的非线性误差低于1.6%，验证了该温度漂移补偿方法的有效性。
光学电压传感器；电致发光效应；高电压测量；温度漂移补偿
1 引 言
光学电压传感器具有电气绝缘性能优良、响应频带宽、动态测量范围大，以及易于实现分布式和网络化测量等优点，在智能电网、电磁兼容以及高电压实验与测试等领域受到广泛关注[1-3]。目前，光学电压传感器主要是基于光学晶体、光纤以及光波导等功能材料的电光效应、逆压电效应以及弹光效应等实现电压传感的，这些方案一般需要一个载波光源。因而，光源输出光功率和波长的稳定性、光路中光耦合与光损耗等参数的稳定性等将直接影响此类光学电压传感器的性能，并成为制约其实用化的关键因素之一。
基于电致发光效应的电压传感器通过测量发光材料或器件在被测电压作用下的发光强度来获知被测电压，其主要优点是无需载波光源，从而有效避免了上述载波光源性能不稳定而导致的问题，同时也简化了传感器的结构，并降低了成本。自20世纪70年代以来，国内外已有各种电致发光型电压传感器的研究报道，包括利用无机电致发光粉末材料的高场致发光型电压传感器和基于发光二极管(LED)的电压传感器等[3-6]，文献[3]综述了此类电压传感器的研究现状、存在的主要问题及研究方向等。
针对电致发光型电压传感器进行研究的主要问题之一就是其温度稳定性。对于室外的电压测量，一般要求在-40～60 ℃温度变化范围，传感器的输出信号应保持稳定。但目前一般的电致发光材料与器件的发光亮度、发光效率等参数均随温度的变化而变化[3-8]，故而需要采取一定的温度补偿措施。对于利用LED的光电式电压传感器，本课题组提出了一种双光路补偿方法[5]。对于粉末和薄膜型电致发光材料的温度特性，由文献[8]可知，交流电致发光器件与温度的关系比较复杂，室温时的亮度最大，温度升高后亮度下降，被称为温度猝灭；器件的漏电流随着温度的升高而增加。对基于这类材料的电压传感器的温度漂移补偿问题，目前尚未见文献报道。
为了提高电致发光电压传感器的温度稳定性，可以考虑采用新型电致发光材料[8-12]，也可以通过优化电压传感单元的结构设计来实现电压传感器的温度漂移补偿。为此，本文利用现有的ZnS…Cu电致发光粉末材料[13-14]，设计制作了一种梯形电压传感单元，通过测量传感单元中2个不同位置处的光信号，并进行相关数据的处理，即可实现电压传感信号的温度漂移补偿。
2 传感单元设计及温度漂移补偿机理
为了实现电压传感信号温度漂移的双光路补偿，需要在同一被测电压作用下，从同一个电致发光单元中获得两路不同强度的光信号。为此，采用如图1所示的梯形电极的电压传感单元。将ZnS…Cu电致发光粉末与一种环氧树脂透明液体胶混合后，填入由2块铜板电极组成的梯形空隙中，待混合物凝固干燥以后，即可作为电压传感单元，其中电压Ui通过两根导线施加到2块铜板电极上。在梯形发光面的2个不同位置x1和x2处耦合连接2根塑料光纤(POF)，即可将两路光传感信号导出到光电探测器上。
电致发光场点1和2在发光面上的位置不同，在同一外加电压Ui的作用下，位置1和2处的实际电场将有所不同。如图1所示，假设2块铜板电极的延长线交于O点，两个电极的夹角为α，发光材料的介电常数是确定的，且忽略电场边缘效应，则根据文献[15]，在极坐标平面内，在2个电极之间半径为ρ处场点的电场强度E(ρ)可近似表示为：
式中eφ为极坐标中角向的单位矢量。
图1 基于ZnS…Cu粉末的电致发光电压传感单元结构示意图Fig. 1 Structure diagram of electroluminescent voltage sensing unit based on ZnS…Cu powder
假设发光场点1和2的连线平行于水平电极，当夹角α很小时，场点1和2的极坐标可近似等于它们各自与原点O的水平距离，即ρ1≈x1，ρ2≈x2。由于x1
与文献[4]类似，采用硅光电池的开路电压Uoc作为上述每一路光传感信号的输出，则对应于上述这两个发光场点1和2，在一定外加电压Ui作用下，将存在2个输出电压信号，它们均为外加电压Ui和温度θ的函数，即：
采用与文献[5]类似的温度漂移补偿方法，利用Uoc1和Uoc2的实验数据，通过多项式数据拟合来补偿和抑制传感器输出信号的温度漂移，并获知外加电压Ui。例如，可以选用5次多项式进行函数拟合，得到温度补偿后换算得到的输出电压Uom与实验测得的开路电压Uoc1和Uoc2之间的关系为：
式中ai(i=0,1,2,…9)为拟合系数，可根据实验测得的Uoc1和Uoc2随被测电压和温度变化的实验数据拟合计算得出。
3 实验及结果
3.1 工频电压传感特性
实验装置如图2所示，待测工频高电压取自约220 V的城市供电电压，经过自耦调压器(额定电压调节范围为0～250 V)和变比为1…10的升压变压器后，可获得有效值约为2.5 kV的被测电压，调压器的输出电压由数字万用表(UT61E型，如图2中V1所示)监测，因而外加电压的有效值等于万用表的读数乘以10，该被测电压经由两根高电压绝缘导线加载到图1所示的梯形电压传感单元。
制作了2个梯形电致发光电压传感单元样品。对于样品1，左侧窄边间距约为1.1 mm，右侧宽边间距约为2.1 mm，水平底边电极长度约为8.0 mm。对于样品2，左侧窄边间距约为1 mm，右侧宽边间距约为3 mm，水平底边电极长度约为14 mm。在距样品1窄边端面向右水平位移分别约1，2 mm的位置(即图1中的场点1和2)耦合2根纤芯直径为1 mm的塑料光纤，将光传感信号传输到2个硅光电探测器PD1和PD2上，如图2所示。PD1和PD2的开路电压Uoc1和Uoc2经过电压跟随器后由数字万用表(UT61E型)测量，并将其与计算机相连以实时采样和记录数据。
图2 电致发光电压传感特性的实验装置Fig. 2 Experimental setup of electroluminescent voltage sensing performances
在室温条件下，利用上述实验装置和样品，在1 500 V电压范围以内，测试了传感器的工频电压响应特性。当外加电压Ui>500 V时，在场点1处首先观察到了蓝绿色发光现象；当外加电压Ui超过700 V后，场点2也开始逐渐发光。首先利用样品2观察了传感单元发光区域随外加电压增加而逐渐扩大的变化关系，当Ui约为500，700，1 000，1 200 V时，样品2侧面的发光情况如图3所示，照片是在室内熄灯条件下拍摄的。由图可见，随着外加电压增加，窄边首先发光，之后发光区域逐渐扩展到宽边区域；同时窄边区域的发光亮度也逐渐增大。这种电致发光特性可用于被测电压的远距离观测与实时显示，因为通过利用CCD等数字成像器件获取梯形发光单元的发光亮度(或灰度)、区域等参数与被测电压之间的关系，可以实现工频电压的远距离测量。
图3 在不同外加电压下，梯形电压传感单元样品2的电致发光照片Fig. 3 Photographs of electroluminescence from the second ladder-shaped voltage sensing unit under different applied voltages
在外加电压固定为1 200 V的条件下，测量了样品2发光区域内不同位置x处的发光强度，一组典型实验数据如图4所示，其横坐标为发光场点距梯形电极窄边端面的横向位移x，纵坐标为光电探测器输出开路电压的有效值Uoc。由图可见，发光亮度以及相应的Uoc随x的增加而迅速下降。
图4 当Ui=1 200 V时，对应于梯形电压传感单元样品2的开路电压Uoc随不同发光场点位置x变化的曲线Fig. 4 Curves of open-circuit voltage Uoc versus different electroluminescent positions on the second ladder-shaped voltage sensing unit when Ui=1 200 V
当样品1上的外加电压Ui≈700 V时，数字存储示波器(型号为Tektronix TBS-1062)记录了光电探测器PD1和PD2输出的一组典型的电压信号波形，如图5示。PD1和PD2后连接的电压跟随器采用了单极性电源，输出电压信号uoc1和uoc2均为50 Hz正弦电压的半波整流信号，并含有运算放大器的直流失调电压分量，但在用万用表交流电压档测量电压有效值时，直流分量不影响测量结果。图中uoc1和uoc2分别对应图1中场点1和2的电致发光信号波形。由图5可见，在相同的外加电压条件下，梯形电极区域内不同空间位置1和2处的电压传感输出信号幅值不同，但均为半波整流正弦信号，不同于文献[4]中由电致发光线产生的约100 Hz的输出电压信号。在外加电压有效值为0～1 500 V范围内，开路电压Uoc1和Uoc2随外加电压变化的曲线如图6所示。
图5 工频电压传感信号波形Fig. 5 Waveforms of electroluminescent voltage sensing signals of 50 Hz AC voltage
图6 开路电压Uoc1和Uoc2随外加电压有效值Ui变化的曲线Fig. 6 Curves of open circuit voltage Uoc1 and Uoc2 versus applied voltage Ui
此外，在1 500 V外加电压范围内，采用伏安法测量了梯形电压传感单元的输入阻抗与被测电压变化的关系。实验中采用钳形电流表(型号为Mastech MS2008A)监测电压传感单元的回路电流，为了提高电流测量的灵敏度，将高电压导线在钳形电流表的钳形测量端环绕了10圈之后再进行读数测量。一组典型实验数据如图7所示，图中输入阻抗Zi是由外加电压除以相应的回路电流后换算得到的。由图可见，输入阻抗随着外加电压的增大而减小。
图7 梯形电压传感单元的输入阻抗随外加电压变化的曲线Fig. 7 Curves of input impedance Zi of ladder-shaped voltage sensing unit versus applied voltage
3.2 电压传感信号的温度漂移及其补偿
将样品1置于小型温箱(型号为CTS)中，设定温度变化范围为-40～60 ℃，每间隔10 ℃作为一个数据采集点，在设定温度下保持15 min，以确保样品中发光材料的实际温度等于设定温度。外加电压Ui和两路开路电压Uoc1和Uoc2的有效值均由UT61E型万用表测量，同时将其与计算机连接以实时采样和记录数据，Uoc1和Uoc2的随外加电压Ui和环境温度θ变化的实验数据如图8所示。由图可见，Uoc1和Uoc2均随外加电压Ui和温度θ单调变化。
图8 开路电压与被测电压及温度的关系Fig. 8 Open circuit voltage versus applied voltage and temperature
当Ui保持为固定值1 200 V时，开路电压Uoc1和Uoc2随温度θ单调变化的实验数据如图9所示。随着温度从-40 ℃升高至60 ℃，Uoc1从50 mV左右增加到120 mV左右。可见，传感器输出电压信号存在明显的温度漂移现象，若以室温时的输出电压(约为85 mV)为基准，则可简单估计出其温度漂移范围约为(85±41%) mV，需要进行补偿。
图9 当Ui=1 200 V时开路电压随温度变化的曲线Fig. 9 Curves of open circuit voltage versus temperature under the condition of Ui=1 200 V
根据图8所示的实验数据和式(4)，可以实现传感信号的温度漂移补偿。例如，在Ui=1 200 V的条件下，补偿前和补偿后传感器输出电压随温度变化的曲线如图10所示，图中的等效输出电压Uom是根据式(4)换算后得到的，在-40～60 ℃温度范围内，与Ui=1 200 V对应的Uom的平均值约为1 207.7 V。比较图9与文献5中图7的实验数据可知，两者输出电压随温度的变化规律并不相同。其主要原因之一是文献5中的发光器件为蓝色和绿色两种LED，而本文的发光单元为同一种ZnS…Cu发光粉末；其次，文献5中的输出电压信号是由光电流变换和放大后得到的，而本文用的是光电探测器的开路电压信号。即便如此，文献5所用的数据拟合与温度漂移补偿方法也同样适用于本文的实验数据，只是方程(4)中的非线性拟合系数不同而已。
图10 Ui=1 200 V时，输出电压在补偿前(Uoc1和Uoc2)和补偿后(Uom)随温度变化的曲线Fig. 10 Curves of output voltages versus temperature without compensation (Uoc1 and Uoc2) and with compensation (Uom) under the condition of Ui=1 200 V
采用类似方法可以得到当Ui为700～1 500 V时，温度漂移补偿后的等效输出电压Uom(V)随被测电压Ui(V)变化关系的实验数据，如图11所示，其拟合直线方程为:
式(5)即为上述电压传感器输出电压与被测电压之间的关系。由式(5)可知，电压传感的比率误差小于1.3%。此外，根据式(5)和图11中的实验数据可估算出电压传感输出信号的非线性误差小于1.6%。在现有实验条件下，还可以采用其它数据拟合与处理方法实现传感器输出的温度漂移补偿，并减小相应的测量误差，例如可考虑采用基于人工神经网络算法的温度漂移补偿方法[16]。
图11 温度漂移补偿后传感器输出电压Uom随外加电压Ui的实验数据及线性拟合直线Fig. 11 Experimental data of output voltage Uom with temperature compensation and applied voltages Ui, and their linear fitting line
此外，在外加电压固定为1 200V时，采用伏安法实验测量了电压传感单元的输入阻抗Zi与温度θ之间的关系，如图12所示。图中输入阻抗值是由固定电压1 200 V除以回路电流换算得到的，实验中实际观测到回路电流随着温度升高而增大，与文献[8]报道的结果一致。由图可见，在-40～60 ℃范围内，输入阻抗Zi≈(2.4±1.34%) MΩ。
图12 Ui=1 200 V时，输入阻抗与温度的关系Fig. 12 Relationship of input impedance and temperature under the condition of Ui=1 200 V
4 结 论
利用ZnS…Cu电致发光粉末材料设计制作的梯形电极结构的电压传感器，可以实现工频电压有效值的测量及直接显示；且通过对两路不同的输出光传感信号的数据处理，可以有效补偿和抑制传感器输出信号的温度漂移。
利用这种梯形电极结构的电压传感单元，通过实时观测发光亮度、发光区域与被测电压的关系，可以实现工频高电压的远距离实时测量与显示。在-40～60 ℃温度范围内，利用上述方法实验测量0.7～1.5 kV范围内的工频电压，电压传感输出信号的非线性误差低于1.6%。
致谢： 感谢北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院光电团队负责人张春熹教授、光电工程系主任宋凝芳教授，以及光电技术研究所刘丹、王玉山、郝文学、黄山等实验员对本文实验工作的支持和帮助。
[1] LI CH SH. Optical voltage sensors: principle, problem and research proposal[J].SPIE,2016,10158,2016:101581N.
[2] 谢施君,汪海,曾嵘,等. 基于集成光学电场传感器的过电压测量技术[J]. 高电压技术,2016,42(9):2929-2935. XIE SH J,WANG H,ZENG R,Overvoltage Measurement technique based on integrated optical electric field sensor[J].HighVoltageEngineering,2016,42(9):2929-2935. (in Chinese)
[3] 李长胜,王伟岐. 基于电致发光效应的光学电压传感器[J]. 中国光学,2016,9(1):30-40. LI CH SH,WANG W Q. Review of optical voltage sensor based on electroluminescent effect[J].ChineseOptics,2016,9(1):30-40. (in Chinese)
[4] 姚健,李长胜. 利用电致发光线的光学电压有效值传感器[J]. 光电子·激光,2013,24(1):34-38. YAO J,LI CH SH. Optical measurement of effective ac voltage using the electroluminescent wire[J].JournalofOptoelectronics·Laser,2013,24(1):34-38. (in Chinese)
[5] 王伟岐,李长胜. 一种光电式电压传感器及其温度漂移补偿方法[J]. 光电子·激光,2015,26(9):1671-1679. WANG W Q,LI CH SH. An optoelectronic voltage sensor and its compensation method for temperature drift[J].JournalofOptoelectronics·Laser,2015,26(9):1671-1679. (in Chinese)
[6] 陈佳,李长胜,郭素文,等. ZnS…Cu电致发光薄膜的交流电压传感特性[J]. 激光杂志,2016,37(11):6-9. CHEN J,LI CH SH,GUO S W,etal.. AC voltage sensing performance of electroluminescent ZnS…Cu film[J].LaserJournal,2016,37(11):6-9. (in Chinese)
[7] 毛清华,刘军林,全知觉,等. p型层结构与掺杂对GaInN发光二极管正向电压温度特性的影响[J]. 物理学报,2015,64(10):107801. MAO Q H,LIU J L,QUAN ZH J,etal.. Influences of p-type layer structure and doping profile on the temperature dependence of the forward voltage characteristic of GaInN light-emitting diode [J].ActaPhysicaSinica,2015,64(10):107801. (in Chinese)
[8] 徐叙瑢,苏勉曾. 发光学与发光材料[M]. 北京：化学工业出版社,2004:388-425. XU X R,SU M Z.LuminescenceandLuminescentMaterials[M]. Beijing:Chemical Industry Press,2004:388-425. (in Chinese)
[9] 钟国柱. II-VI族化合物薄膜电致发光[J]. 发光学报,2006,27(1):6-17. ZHONG G ZH. Thin film electroluminescence in II-VI compounds[J].ChineseJournalofLuminescence,2006,27(1):6-17. (in Chinese)
[10] 许少辉,周雅伟,赵晓鹏. 无机粉末电致发光材料的研究进展[J]. 材料导报,2007,21:162-166.
XU SH H,ZHOU Y W,ZHAO X P. Research and development of inorganic powder EL materials[J].MaterialsReview,2007,21:162-166. (in Chinese)
[11] 徐家跃. 发光材料及其新进展[J]. 无机材料学报,2016,31(10):1009-1012.
XU J Y.Recent developments of luminescent materials[J].JournalofInorganicMaterials,2016,31(10):1009-1012. (in Chinese)
[12] 刘泽明,徐建萍,李霖霖,等. 聚合物/碳量子点复合EL器件及光谱移动机理[J]. 发光学报,2016,37(7):823-828.
LIU Z M,XU J P,LI L L,etal. Polymer/Carbon quantum dots composite EL devices and tunable spectra mechanism[J].ChineseJournalofLuminescence,2016,37(7):823-828. (in Chinese)
[13] 赵辉,侯延冰,何大伟,等. ZnS…Cu的电致发光特性[J]. 北方交通大学学报,2001,25(3):67-69.
ZHAO H,HOU Y B,HE D W,etal.. Electroluminescent characters of ZnS…Cu[J].JournalofNorthernJiaotongUniversity,2001,25(3):67-69. (in Chinese)
[14] 王辉,孟令国,梁志虎,等. ZnS…Cu粉末交流电致发光器件特性研究[J]. 真空电子技术,2008(6):1-4.
WANG H,MENG L G,LIANG ZH H. An investigation on ac electroluminescent properties of ZnS…Cu powder[J]. Vacuum Electronics,2008(6):1-4. (in Chinese)
[15] HAYT W H,BUCK J A.EngineeringElectromagnetics[M]. Beijing:Tsinghua University Press,2009.
[16] 庄哲民,黄惟一,刘少强. 提高传感器精度的神经网络方法[J]. 计量学报,2002,23(1):78-80.
ZHUANG ZH M,HUANG W Y,LIU SH Q. Transducer accuracy enhancement using neural networks[J].ActaMetrologicalSinica,2002,23(1):78-80. (in Chinese)
《中国光学》征稿启事
《中国光学》为双月刊，A4开本;刊号：ISSN 2095-1531/CN 22-1400/O4；国内外公开发行，邮发代号：国内12-140，国外BM6782。
★ 荷兰Scopus数据库★ 美国《乌利希国际期刊指南》★ 美国《化学文献》★ 波兰《哥白尼索引》★ 俄罗斯《文摘杂志》★ 中国精品科技期刊★ 中国科技核心期刊★ 中国光学学会会刊★ 中国科技论文与引文数据库★ 中国期刊全文数据库★ 万方数字化期刊全文数据库★ 中国科技期刊数据库★ 中国光学期刊网数据库
主要栏目：微纳光学、信息光学、集成光电子、光谱学和光谱仪器、激光技术与应用、光学功能材料、光学设计与工艺、大气与空间光学、光学仪器与测试、综述、前沿动态、产业资讯、科普教学、实验室介绍、自然科学基金项目进展、前沿热点访谈、热点论文等。
发稿类型：学术价值显著、实验数据完整的原创性论文；研究前景广阔，具有实用、推广价值的技术报告；有创新意识，能够反映当前先进水平的阶段性研究简报；对当前学科领域的研究热点和前沿问题的专题报告；以及综合评述国内外光学技术研究现状、发展动态和未来发展趋势的综述性论文。
主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
协办单位：激光与物质相互作用国家重点实验室
编辑出版：《中国光学》编辑部
投稿网址：http://chineseoptics.net.cn
邮件地址： chineseoptics@ciomp.ac.cn; zggxcn@126.com
联系电话：0431-86176852； 0431-84627061 传 真：0431-84627061
编辑部地址：长春市东南湖大路3888号(130033)
ZnS…Cu electroluminescent voltage sensor and itstemperature drift compensation
LI Chang-sheng1*, CHEN Jia1, WANG Wei-qi1, ZHENG Yan2
(1.Department of Optoelectronics Engineering,School of Instrumentation Science andOptoelectronics Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.Shanghai Kerun Phospher Technology Co. Ltd.,Shanghai 201619,China)*Corresponding author, E-mail:cli@buaa.edu.cn
A ladder-shaped voltage sensing unit is designed and fabricated using ZnS…Cu powder and epoxy adhesive, and the temperature drift compensation of an electroluminescent voltage sensing signal is implemented. Two channels of electroluminescent voltage sensing signals are transmitted to two photo-detectors using two pieces of plastic optical fibers. Open circuit voltages of the two photo-detectors are used as output voltage sensing signals. The electric field distribution is non-uniform within the ladder-shaped electroluminescent voltage sensing unit, and thus the electroluminescent brightness is also non-uniform under a same applied voltage. AC voltage sensing signals can be obtained by measuring the electroluminescent brightness at two different positions on the ladder-shaped voltage sensing unit. The temperature drift compensation existing in output voltage sensing signal can be achieved by an optimal calculation and fitting of experimental data. 50 Hz AC voltage in the range of 0.7-1.5 kV is measured, and the nonlinear error is less than 1.6% in the range of -40-60 ℃. This result demonstrates the effectiveness of the proposed temperature drift compensation method.
optical voltage sensor;electroluminescent effect;high voltage measurement;temperature drift compensation
2016-12-26；
2017-01-08
2095-1531(2017)04-0514-08
TN383; TM835.1
A
10.3788/CO.20171004. 0514
李长胜(1967—),男,河北青龙人,博士,副教授,2003年于日本群马大学获得博士学位,主要从事物理光学、光学传感与器件、光通信等方面的研究。E-mail:cli@buaa.edu.cn
