一種小型電壓傳感結(jié)構的設計及優(yōu)化

張國帥 呂正超

摘 要

本文在十字固端梁光學應變結(jié)構的基礎上，針對其應變較小，容易受到外界震動、雜波及微擾動影響的缺點，對其進行結(jié)構優(yōu)化?；诠栉C械加工原理設計了一種轎型新型傳感應變結(jié)構。利用有限元分析法對兩種結(jié)構進行了對比，表明轎型結(jié)構應變單元應變較大，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。

關鍵詞

電壓測量;微型結(jié)構;轎型結(jié)構

中圖分類號： TM933.2? ? ? 文獻標識碼： 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，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-力耦合傳感應變單元。在電場作用下，其應變數(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 電壓傳感應變結(jié)構的設計及優(yōu)化

對厚度為30μm，主應變單元為3.5mm×3.5mm的十字固端梁應變結(jié)構分別在20kV/cm及40kV/cm電場下進行有限元仿真測量，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，十字固端梁的應變僅有幾十納米;在實驗室所能達到的40kV/cm極限場強下，十字固端梁的應變僅有300納米。在實際測量時，由于其應變較小，在外界環(huán)境震動、雜波及微擾動干擾的情況下，測量的準確度不高，受影響較大。

在保證傳感單元結(jié)構小巧、簡單、易于加工、降低成本的基礎上，對應變的結(jié)構進行優(yōu)化設計。為進一步保證F-P腔的結(jié)構穩(wěn)定、應變理想，采用轎型應變結(jié)構進行優(yōu)化設計。

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

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

此時，由于應變的增大，雖然震動、雜波及微擾動所產(chǎn)生的應變可以忽略，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，設計了一種尺寸為1.4mm×1.4mm×0.2μm的轎型傳感應變結(jié)構。與十字固端梁傳感結(jié)構相比，在相同電場強度下，其應變更大，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，所設計的轎型應變結(jié)構電壓傳感單元無法測量高頻交流電壓。

參考文獻

[1]姜春陽，劉浩，周峰，殷小東，袁建平，李明.有源電容式分壓器的研制[J].電測與儀表：1-5.

[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[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-珀羅干涉技術的電壓傳感器的研究[J].激光雜志，2019，40（10）：1-5.