ZnS…Cu電致發光電壓傳感器及其溫度漂移補償

李長勝, 陳 佳, 王偉岐, 鄭 巖

(1.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院光電工程系,北京 100191；2.上海科潤光電技術有限公司,上海 201619)

ZnS…Cu電致發光電壓傳感器及其溫度漂移補償

李長勝1*, 陳 佳1, 王偉岐1, 鄭 巖2

(1.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院光電工程系,北京 100191；2.上海科潤光電技術有限公司,上海 201619)

利用ZnS…Cu電致發光粉末與環氧樹脂膠混合，設計制作了一種梯形電極結構的電壓傳感單元，實現了電致發光電壓傳感器輸出信號的溫度漂移補償。電致發光電壓傳感信號通過2根塑料光纖傳輸到2個硅光電探測器，并選擇其開路電壓作為傳感器的輸出信號。在同一外加電壓條件下，梯形電極區域內的電場分布是不均勻的，因而不同場點的發光亮度不同。通過測量梯形電極區域內2個不同發光點的發光強度隨外加電壓的變化，并對兩路輸出電壓傳感信號進行數據擬合與計算，可獲知被測電壓的有效值，并可實現對輸出信號溫度漂移的補償。在-40～60 ℃范圍內，采用上述溫度漂移補償方法測量了有效值在0.7～1.5 kV范圍內的工頻電壓，傳感器輸出信號的非線性誤差低于1.6%，驗證了該溫度漂移補償方法的有效性。

光學電壓傳感器；電致發光效應；高電壓測量；溫度漂移補償

1 引 言

光學電壓傳感器具有電氣絕緣性能優良、響應頻帶寬、動態測量范圍大，以及易于實現分布式和網絡化測量等優點，在智能電網、電磁兼容以及高電壓實驗與測試等領域受到廣泛關注[1-3]。目前，光學電壓傳感器主要是基于光學晶體、光纖以及光波導等功能材料的電光效應、逆壓電效應以及彈光效應等實現電壓傳感的，這些方案一般需要一個載波光源。因而，光源輸出光功率和波長的穩定性、光路中光耦合與光損耗等參數的穩定性等將直接影響此類光學電壓傳感器的性能，并成為制約其實用化的關鍵因素之一。

基于電致發光效應的電壓傳感器通過測量發光材料或器件在被測電壓作用下的發光強度來獲知被測電壓，其主要優點是無需載波光源，從而有效避免了上述載波光源性能不穩定而導致的問題，同時也簡化了傳感器的結構，并降低了成本。自20世紀70年代以來，國內外已有各種電致發光型電壓傳感器的研究報道，包括利用無機電致發光粉末材料的高場致發光型電壓傳感器和基于發光二極管(LED)的電壓傳感器等[3-6]，文獻[3]綜述了此類電壓傳感器的研究現狀、存在的主要問題及研究方向等。

針對電致發光型電壓傳感器進行研究的主要問題之一就是其溫度穩定性。對于室外的電壓測量，一般要求在-40～60 ℃溫度變化范圍，傳感器的輸出信號應保持穩定。但目前一般的電致發光材料與器件的發光亮度、發光效率等參數均隨溫度的變化而變化[3-8]，故而需要采取一定的溫度補償措施。對于利用LED的光電式電壓傳感器，本課題組提出了一種雙光路補償方法[5]。對于粉末和薄膜型電致發光材料的溫度特性，由文獻[8]可知，交流電致發光器件與溫度的關系比較復雜，室溫時的亮度最大，溫度升高后亮度下降，被稱為溫度猝滅；器件的漏電流隨著溫度的升高而增加。對基于這類材料的電壓傳感器的溫度漂移補償問題，目前尚未見文獻報道。

為了提高電致發光電壓傳感器的溫度穩定性，可以考慮采用新型電致發光材料[8-12]，也可以通過優化電壓傳感單元的結構設計來實現電壓傳感器的溫度漂移補償。為此，本文利用現有的ZnS…Cu電致發光粉末材料[13-14]，設計制作了一種梯形電壓傳感單元，通過測量傳感單元中2個不同位置處的光信號，并進行相關數據的處理，即可實現電壓傳感信號的溫度漂移補償。

2 傳感單元設計及溫度漂移補償機理

為了實現電壓傳感信號溫度漂移的雙光路補償，需要在同一被測電壓作用下，從同一個電致發光單元中獲得兩路不同強度的光信號。為此，采用如圖1所示的梯形電極的電壓傳感單元。將ZnS…Cu電致發光粉末與一種環氧樹脂透明液體膠混合后，填入由2塊銅板電極組成的梯形空隙中，待混合物凝固干燥以后，即可作為電壓傳感單元，其中電壓Ui通過兩根導線施加到2塊銅板電極上。在梯形發光面的2個不同位置x1和x2處耦合連接2根塑料光纖(POF)，即可將兩路光傳感信號導出到光電探測器上。

電致發光場點1和2在發光面上的位置不同，在同一外加電壓Ui的作用下，位置1和2處的實際電場將有所不同。如圖1所示，假設2塊銅板電極的延長線交于O點，兩個電極的夾角為α，發光材料的介電常數是確定的，且忽略電場邊緣效應，則根據文獻[15]，在極坐標平面內，在2個電極之間半徑為ρ處場點的電場強度E(ρ)可近似表示為：

式中eφ為極坐標中角向的單位矢量。

圖1 基于ZnS…Cu粉末的電致發光電壓傳感單元結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of electroluminescent voltage sensing unit based on ZnS…Cu powder

假設發光場點1和2的連線平行于水平電極，當夾角α很小時，場點1和2的極坐標可近似等于它們各自與原點O的水平距離，即ρ1≈x1，ρ2≈x2。由于x1|E2|，根據電致發光效應機理，場點1的發光亮度將大于場點2。選取發光場點1和2在同一水平線上，不但可以獲得上述不同的電場強度，而且有利于它們與光纖的耦合連接。

與文獻[4]類似，采用硅光電池的開路電壓Uoc作為上述每一路光傳感信號的輸出，則對應于上述這兩個發光場點1和2，在一定外加電壓Ui作用下，將存在2個輸出電壓信號，它們均為外加電壓Ui和溫度θ的函數，即：

采用與文獻[5]類似的溫度漂移補償方法，利用Uoc1和Uoc2的實驗數據，通過多項式數據擬合來補償和抑制傳感器輸出信號的溫度漂移，并獲知外加電壓Ui。例如，可以選用5次多項式進行函數擬合，得到溫度補償后換算得到的輸出電壓Uom與實驗測得的開路電壓Uoc1和Uoc2之間的關系為：

式中ai(i=0,1,2,…9)為擬合系數，可根據實驗測得的Uoc1和Uoc2隨被測電壓和溫度變化的實驗數據擬合計算得出。

3 實驗及結果

3.1 工頻電壓傳感特性

實驗裝置如圖2所示，待測工頻高電壓取自約220 V的城市供電電壓，經過自耦調壓器(額定電壓調節范圍為0～250 V)和變比為1…10的升壓變壓器后，可獲得有效值約為2.5 kV的被測電壓，調壓器的輸出電壓由數字萬用表(UT61E型，如圖2中V1所示)監測，因而外加電壓的有效值等于萬用表的讀數乘以10，該被測電壓經由兩根高電壓絕緣導線加載到圖1所示的梯形電壓傳感單元。

制作了2個梯形電致發光電壓傳感單元樣品。對于樣品1，左側窄邊間距約為1.1 mm，右側寬邊間距約為2.1 mm，水平底邊電極長度約為8.0 mm。對于樣品2，左側窄邊間距約為1 mm，右側寬邊間距約為3 mm，水平底邊電極長度約為14 mm。在距樣品1窄邊端面向右水平位移分別約1，2 mm的位置(即圖1中的場點1和2)耦合2根纖芯直徑為1 mm的塑料光纖，將光傳感信號傳輸到2個硅光電探測器PD1和PD2上，如圖2所示。PD1和PD2的開路電壓Uoc1和Uoc2經過電壓跟隨器后由數字萬用表(UT61E型)測量，并將其與計算機相連以實時采樣和記錄數據。

圖2 電致發光電壓傳感特性的實驗裝置Fig. 2 Experimental setup of electroluminescent voltage sensing performances

在室溫條件下，利用上述實驗裝置和樣品，在1 500 V電壓范圍以內，測試了傳感器的工頻電壓響應特性。當外加電壓Ui>500 V時，在場點1處首先觀察到了藍綠色發光現象；當外加電壓Ui超過700 V后，場點2也開始逐漸發光。首先利用樣品2觀察了傳感單元發光區域隨外加電壓增加而逐漸擴大的變化關系，當Ui約為500，700，1 000，1 200 V時，樣品2側面的發光情況如圖3所示，照片是在室內熄燈條件下拍攝的。由圖可見，隨著外加電壓增加，窄邊首先發光，之后發光區域逐漸擴展到寬邊區域；同時窄邊區域的發光亮度也逐漸增大。這種電致發光特性可用于被測電壓的遠距離觀測與實時顯示，因為通過利用CCD等數字成像器件獲取梯形發光單元的發光亮度(或灰度)、區域等參數與被測電壓之間的關系，可以實現工頻電壓的遠距離測量。

圖3 在不同外加電壓下，梯形電壓傳感單元樣品2的電致發光照片Fig. 3 Photographs of electroluminescence from the second ladder-shaped voltage sensing unit under different applied voltages

在外加電壓固定為1 200 V的條件下，測量了樣品2發光區域內不同位置x處的發光強度，一組典型實驗數據如圖4所示，其橫坐標為發光場點距梯形電極窄邊端面的橫向位移x，縱坐標為光電探測器輸出開路電壓的有效值Uoc。由圖可見，發光亮度以及相應的Uoc隨x的增加而迅速下降。

圖4 當Ui=1 200 V時，對應于梯形電壓傳感單元樣品2的開路電壓Uoc隨不同發光場點位置x變化的曲線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

當樣品1上的外加電壓Ui≈700 V時，數字存儲示波器(型號為Tektronix TBS-1062)記錄了光電探測器PD1和PD2輸出的一組典型的電壓信號波形，如圖5示。PD1和PD2后連接的電壓跟隨器采用了單極性電源，輸出電壓信號uoc1和uoc2均為50 Hz正弦電壓的半波整流信號，并含有運算放大器的直流失調電壓分量，但在用萬用表交流電壓檔測量電壓有效值時，直流分量不影響測量結果。圖中uoc1和uoc2分別對應圖1中場點1和2的電致發光信號波形。由圖5可見，在相同的外加電壓條件下，梯形電極區域內不同空間位置1和2處的電壓傳感輸出信號幅值不同，但均為半波整流正弦信號，不同于文獻[4]中由電致發光線產生的約100 Hz的輸出電壓信號。在外加電壓有效值為0～1 500 V范圍內，開路電壓Uoc1和Uoc2隨外加電壓變化的曲線如圖6所示。

圖5 工頻電壓傳感信號波形Fig. 5 Waveforms of electroluminescent voltage sensing signals of 50 Hz AC voltage

圖6 開路電壓Uoc1和Uoc2隨外加電壓有效值Ui變化的曲線Fig. 6 Curves of open circuit voltage Uoc1 and Uoc2 versus applied voltage Ui

此外，在1 500 V外加電壓范圍內，采用伏安法測量了梯形電壓傳感單元的輸入阻抗與被測電壓變化的關系。實驗中采用鉗形電流表(型號為Mastech MS2008A)監測電壓傳感單元的回路電流，為了提高電流測量的靈敏度，將高電壓導線在鉗形電流表的鉗形測量端環繞了10圈之后再進行讀數測量。一組典型實驗數據如圖7所示，圖中輸入阻抗Zi是由外加電壓除以相應的回路電流后換算得到的。由圖可見，輸入阻抗隨著外加電壓的增大而減小。

圖7 梯形電壓傳感單元的輸入阻抗隨外加電壓變化的曲線Fig. 7 Curves of input impedance Zi of ladder-shaped voltage sensing unit versus applied voltage

3.2 電壓傳感信號的溫度漂移及其補償

將樣品1置于小型溫箱(型號為CTS)中，設定溫度變化范圍為-40～60 ℃，每間隔10 ℃作為一個數據采集點，在設定溫度下保持15 min，以確保樣品中發光材料的實際溫度等于設定溫度。外加電壓Ui和兩路開路電壓Uoc1和Uoc2的有效值均由UT61E型萬用表測量，同時將其與計算機連接以實時采樣和記錄數據，Uoc1和Uoc2的隨外加電壓Ui和環境溫度θ變化的實驗數據如圖8所示。由圖可見，Uoc1和Uoc2均隨外加電壓Ui和溫度θ單調變化。

圖8 開路電壓與被測電壓及溫度的關系Fig. 8 Open circuit voltage versus applied voltage and temperature

當Ui保持為固定值1 200 V時，開路電壓Uoc1和Uoc2隨溫度θ單調變化的實驗數據如圖9所示。隨著溫度從-40 ℃升高至60 ℃，Uoc1從50 mV左右增加到120 mV左右。可見，傳感器輸出電壓信號存在明顯的溫度漂移現象，若以室溫時的輸出電壓(約為85 mV)為基準，則可簡單估計出其溫度漂移范圍約為(85±41%) mV，需要進行補償。

圖9 當Ui=1 200 V時開路電壓隨溫度變化的曲線Fig. 9 Curves of open circuit voltage versus temperature under the condition of Ui=1 200 V

根據圖8所示的實驗數據和式(4)，可以實現傳感信號的溫度漂移補償。例如，在Ui=1 200 V的條件下，補償前和補償后傳感器輸出電壓隨溫度變化的曲線如圖10所示，圖中的等效輸出電壓Uom是根據式(4)換算后得到的，在-40～60 ℃溫度范圍內，與Ui=1 200 V對應的Uom的平均值約為1 207.7 V。比較圖9與文獻5中圖7的實驗數據可知，兩者輸出電壓隨溫度的變化規律并不相同。其主要原因之一是文獻5中的發光器件為藍色和綠色兩種LED，而本文的發光單元為同一種ZnS…Cu發光粉末；其次，文獻5中的輸出電壓信號是由光電流變換和放大后得到的，而本文用的是光電探測器的開路電壓信號。即便如此，文獻5所用的數據擬合與溫度漂移補償方法也同樣適用于本文的實驗數據，只是方程(4)中的非線性擬合系數不同而已。

圖10 Ui=1 200 V時，輸出電壓在補償前(Uoc1和Uoc2)和補償后(Uom)隨溫度變化的曲線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

采用類似方法可以得到當Ui為700～1 500 V時，溫度漂移補償后的等效輸出電壓Uom(V)隨被測電壓Ui(V)變化關系的實驗數據，如圖11所示，其擬合直線方程為:

式(5)即為上述電壓傳感器輸出電壓與被測電壓之間的關系。由式(5)可知，電壓傳感的比率誤差小于1.3%。此外，根據式(5)和圖11中的實驗數據可估算出電壓傳感輸出信號的非線性誤差小于1.6%。在現有實驗條件下，還可以采用其它數據擬合與處理方法實現傳感器輸出的溫度漂移補償，并減小相應的測量誤差，例如可考慮采用基于人工神經網絡算法的溫度漂移補償方法[16]。

圖11 溫度漂移補償后傳感器輸出電壓Uom隨外加電壓Ui的實驗數據及線性擬合直線Fig. 11 Experimental data of output voltage Uom with temperature compensation and applied voltages Ui, and their linear fitting line

此外，在外加電壓固定為1 200V時，采用伏安法實驗測量了電壓傳感單元的輸入阻抗Zi與溫度θ之間的關系，如圖12所示。圖中輸入阻抗值是由固定電壓1 200 V除以回路電流換算得到的，實驗中實際觀測到回路電流隨著溫度升高而增大，與文獻[8]報道的結果一致。由圖可見，在-40～60 ℃范圍內，輸入阻抗Zi≈(2.4±1.34%) MΩ。

圖12 Ui=1 200 V時，輸入阻抗與溫度的關系Fig. 12 Relationship of input impedance and temperature under the condition of Ui=1 200 V

4 結 論

利用ZnS…Cu電致發光粉末材料設計制作的梯形電極結構的電壓傳感器，可以實現工頻電壓有效值的測量及直接顯示；且通過對兩路不同的輸出光傳感信號的數據處理，可以有效補償和抑制傳感器輸出信號的溫度漂移。

利用這種梯形電極結構的電壓傳感單元，通過實時觀測發光亮度、發光區域與被測電壓的關系，可以實現工頻高電壓的遠距離實時測量與顯示。在-40～60 ℃溫度范圍內，利用上述方法實驗測量0.7～1.5 kV范圍內的工頻電壓，電壓傳感輸出信號的非線性誤差低于1.6%。

致謝： 感謝北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院光電團隊負責人張春熹教授、光電工程系主任宋凝芳教授，以及光電技術研究所劉丹、王玉山、郝文學、黃山等實驗員對本文實驗工作的支持和幫助。

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《中國光學》征稿啟事

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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

李長勝(1967—),男,河北青龍人,博士,副教授,2003年于日本群馬大學獲得博士學位,主要從事物理光學、光學傳感與器件、光通信等方面的研究。E-mail:cli@buaa.edu.cn