CN108732416B - 一种前端数字化的mems微镜高压静电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器，金属悬臂的一端固定于固定框架的内，金属悬臂的另一端悬空，封盖、固定框架、基座及PCB电路板自上到下依次固定，基座上设置有导电柱，待测高压导体通过PCB电路板与导电柱电连接，金属悬臂的上表面设置有反光阵列，反光阵列位于导电柱的正上方，封盖上设置有光纤探头，光纤探头位于所述反光阵列的正上方，光纤探头通过光纤与光发射/接收器相连接；反光阵列由若干第一反光条及若干第二反光条组成，其中，第一反光条的发射率大于第二发光条的反射率，且各第一反光条与各第二反光条依次交错分布，该传感器能够直接对高压导体上的静电电压进行检测，并且输出信号为数字信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压静电传感器，具体涉及一种前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器。
背景技术
高压电力电容器大量应用于电力***及试验站，由于电容器所储存的电荷处于静止状态，很难被一般的测量方式所感知，包括电磁感应，磁场测量等原理和方法，目前，用于高压静电感测的装置和产品，包括旋转叶片式、振动电容式的静电测量装置，由于其体积、功耗大且成本较高，技术上、经济上很难应用于电力部门大量装备的高压电容器，因此，每年由电容器储存电荷的不可见性所造成的人身伤亡事故屡见报道，给家庭、企业和社会造成不可挽回的损失。另外，高压静电放电时会产生瞬态脉冲大电流，并伴随着强电磁辐射，直接影响实验室中控制***、测量仪器等电子静电敏感设备的正常运行，甚至存在引发火灾***的隐患。因此高压静电的监测成为近年来电气设备领域的研究热点。
对高压静电场进行直接接触式的测量是最为精确简便的方法，然而与储能设备连接的母排其静态高压可达几十kV至上百kV，这使得直接测量高压静电场的设备需有较大的绝缘余量，其体积无法实现小型化。并且高压母排通常布局复杂，走线较长，要对其高压静电进行实时监测，许大量直接测量仪器才可完成，这对空间和成本要求很高。近年来大量研究开始侧重于对高压电场的非接触式间接测量，研究设计处了多种基于机械式或者光学式的电场传感器。然而在静电场中，电场无法给传感器提供持续的能量，高压导体上的电荷是不能持续维持宏观运动的，这成为了静电场测量的难点，使得目前电场传感器对低频或静电场的灵敏度较低。同时，目前能够用于测量高压静电场的传感器存在结构复杂、体积较大、成本较高等缺点，无法实现大批量的生产。而在电力***或者电气实验室运行过程中，需用大量的非接触式间接测量仪器对高压母排的各个事故易发点进行在线监测，以保证操作人员和电子设备的安全，因此现有电场传感器无法满足此要求，同时现有传感器的输出为模拟信号，需要进行后续的处理。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器，该传感器能够直接对高压导体上的静电电压进行检测，并且输出信号为数字信号，同时具有体积小、成本低及结构简单的特点。
为达到上述目的，本发明所述的前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器包括PCB电路板、MEMS微镜、光纤及光发射/接收器；其中，MEMS微镜包括基座、微镜及封盖，其中，微镜包括固定框架及金属悬臂，金属悬臂的一端固定于固定框架的内，金属悬臂的另一端悬空，封盖、固定框架、基座及PCB电路板自上到下依次固定，基座上设置有导电柱，待测高压导体通过PCB电路板与导电柱电连接，金属悬臂的上表面设置有反光阵列，反光阵列位于导电柱的正上方，封盖上设置有光纤探头，光纤探头位于所述反光阵列的正上方，光纤探头通过光纤与光发射/接收器相连接；
反光阵列由若干第一反光条及若干第二反光条组成，其中，第一反光条的发射率大于第二发光条的反射率，且各第一反光条与各第二反光条依次交错分布。
所述PCB电路板包括板基、金属引线、电压接头及光纤转接头，其中，金属引线、电压接头及光纤转接头均位于板基上，且金属引线的一端与电压接头相连接，金属引线的另一端与导电柱相连接，待测高压导体与电压接头电连接，光纤与光纤转接头相连接。
基座上开设有TSV孔，其中，TSV孔内填充有固态导电物以形成导电柱。
封盖上开设有用于安装光纤探头的安装孔，其中，光纤探头通过粘接剂固定于所述安装孔内。
光纤为单模光纤、多模光纤或者光纤束。
金属悬臂为等截面悬臂梁、变截面悬臂梁或者弯曲弹簧。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器在具体操作时，待测高压导体通过PCB电路板与导电柱相连接，从而使得待测高压导体与导电柱之间同电压，通过导电柱对金属悬臂产生静电吸引力，使得金属悬臂弯曲，由于金属悬臂的上表面设置有反光阵列，反光阵列由若干第一反光条及若干第二反光条组成，且第一反光条与第二反光条的反射率不同，金属悬臂在弯曲的过程中，反光阵列在测量激光光束内移动，即可根据反射光强度变化得到0-1间隔的数字信号，以实现对待测高压导体的接触式直接测量，同时隔绝后续电路与高压端，避免对后续电路产生不利影响结构简单、体积小、制造成本高，便于工业现场分布式实时监测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中PCB电路板1的结构示意图；
图3为本发明中MEMS微镜2的结构示意图；
图4为本发明中微镜22的结构示意图。
其中，1为PCB电路板、2为MEMS微镜、3为光纤、4为光发射/接收器、11为板基、12为金属引线、13为电压接头、14为光纤转接头、21为基座、22为微镜、23为封盖、211为导电柱、231为光纤探头、223为反光阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1至图4，本发明所述的前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器包括PCB电路板1、MEMS微镜2、光纤3及光发射/接收器4；其中，MEMS微镜2包括基座21、微镜22及封盖23，其中，微镜22包括固定框架及金属悬臂，金属悬臂的一端固定于固定框架的内，金属悬臂的另一端悬空，封盖23、固定框架、基座21及PCB电路板1自上到下依次固定，基座21上设置有导电柱211，待测高压导体通过PCB电路板1与导电柱211电连接，金属悬臂的上表面设置有反光阵列223，反光阵列223位于导电柱211的正上方，封盖23上设置有光纤探头231，光纤探头231位于所述反光阵列223的正上方，光纤探头231通过光纤3与光发射/接收器4相连接；反光阵列223由若干第一反光条及若干第二反光条组成，其中，第一反光条的发射率大于第二发光条的反射率，且各第一反光条与各第二反光条依次交错分布。
所述PCB电路板1包括板基11、金属引线12、电压接头13及光纤转接头14，其中，金属引线12、电压接头13及光纤转接头14均位于板基11上，且金属引线12的一端与电压接头13相连接，金属引线12的另一端与导电柱211相连接，待测高压导体与电压接头13电连接，光纤3与光纤转接头14相连接。
基座21上开设有TSV孔，其中，TSV孔内填充有固态导电物以形成导电柱211；封盖23上开设有用于安装光纤探头231的安装孔，其中，光纤探头231通过粘接剂固定于所述安装孔内；光纤3为单模光纤、多模光纤或者光纤束；金属悬臂为等截面悬臂梁、变截面悬臂梁或者弯曲弹簧。
待测高压导体与后端的光发射/接收器4通过光纤3连接。完全隔断高压端与后端电路，保证人员及设备安全；板基11采用高绝缘的材料制成，确保测量中板基11不带电不漏电；基座21、微镜22及封盖23采用低温直接键合工艺连接。
本发明的具体工作过程为：
将待测高压导体与电压接头13电连接，从而使得待测高压导体与导电柱211同电压，通过导电柱211对金属悬臂产生静电吸引力，使得金属悬臂弯曲，由于金属悬臂的上表面设置有反光阵列223，所述反光阵列223由若干第一反光条与第二反光条依次交错分布组成，且第一反光条的反射率大于第二反光条的反射率，当金属悬臂弯曲时，反光阵列223在测量激光光束内移动，根据反射光强度的变化可以直接得到0-1间隔的数字信号，即可通过外接的计数器进行数据的统计，可以实现高压导体电压的测量。
Claims (6)
1.一种前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器，其特征在于，包括PCB电路板(1)、MEMS微镜(2)、光纤(3)及光发射/接收器(4)；其中，MEMS微镜(2)包括基座(21)、微镜(22)及封盖(23)，其中，微镜(22)包括固定框架及金属悬臂，金属悬臂的一端固定于固定框架的内，金属悬臂的另一端悬空，封盖(23)、固定框架、基座(21)及PCB电路板(1)自上到下依次固定，基座(21)上设置有导电柱(211)，待测高压导体通过PCB电路板(1)与导电柱(211)电连接，金属悬臂的上表面设置有反光阵列(223)，反光阵列(223)位于导电柱(211)的正上方，封盖(23)上设置有光纤探头(231)，光纤探头(231)位于所述反光阵列(223)的正上方，光纤探头(231)通过光纤(3)与光发射/接收器(4)相连接；
反光阵列(223)由若干第一反光条及若干第二反光条组成，其中，第一反光条的发射率大于第二发光条的反射率，且各第一反光条与各第二反光条依次交错分布。
2.根据权利要求1所述的前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器，其特征在于，所述PCB电路板(1)包括板基(11)、金属引线(12)、电压接头(13)及光纤转接头(14)，其中，金属引线(12)、电压接头(13)及光纤转接头(14)均位于板基(11)上，且金属引线(12)的一端与电压接头(13)相连接，金属引线(12)的另一端与导电柱(211)相连接，待测高压导体与电压接头(13)电连接，光纤(3)与光纤转接头(14)相连接。
3.根据权利要求1所述的前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器，其特征在于，基座(21)上开设有TSV孔，其中，TSV孔内填充有固态导电物以形成导电柱(211)。
4.根据权利要求1所述的前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器，其特征在于，封盖(23)上开设有用于安装光纤探头(231)的安装孔，其中，光纤探头(231)通过粘接剂固定于所述安装孔内。
5.根据权利要求1所述的前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器，其特征在于，光纤(3)为单模光纤、多模光纤或者光纤束。
6.根据权利要求1所述的前端数字化的MEMS微镜高压静电传感器，其特征在于，金属悬臂为等截面悬臂梁、变截面悬臂梁或者弯曲弹簧。
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