聚合物MEMS電流傳感器的研究.pdf

1、目前，傳感網(wǎng)絡(luò)正朝著智能化方向發(fā)展，“物聯(lián)網(wǎng)”和“智慧地球”的核心技術(shù)均是無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)。在特高壓智能電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，對(duì)于電網(wǎng)的安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)顯得越來(lái)越重要。盡管各種類(lèi)型的光學(xué)電流傳感器(OCS)在一定程度上解決了傳統(tǒng)電流互感(CT)存在的一些問(wèn)題，但它們自身的缺陷限制了它們的實(shí)用化發(fā)展。微機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)，使得制造出性能優(yōu)、價(jià)格低的光學(xué)電流傳感器成為可能。MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡與光纖傳感相結(jié)合，是光學(xué)

2、電流傳感器發(fā)展的一個(gè)新方向。
　　當(dāng)前大多數(shù)MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡都基于硅材料制作。硅材料的屬性限制了扭轉(zhuǎn)微鏡的扭轉(zhuǎn)角度，且傳感器的抗沖擊性能差。另外，現(xiàn)有的MEMS電流傳感器往往帶有羅氏線圈(Rogowski)等集磁環(huán)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)以上問(wèn)題，本學(xué)位論文提出一種基于聚合物材料制作的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的MEMS電流傳感器。
　　論文提出的這一新型交流電傳感器，其關(guān)鍵部分是聚合物MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡。扭轉(zhuǎn)微鏡具有聚合物—金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)，基體材料采

3、用聚碳酸酯(PC)，扭轉(zhuǎn)梁采用金屬材料制作。永磁體被聚合物材料包埋于扭轉(zhuǎn)微鏡內(nèi)部，扭轉(zhuǎn)微鏡的反射面為反射光柵結(jié)構(gòu)。這一傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、易安裝、微型化、成本低，可在智能電網(wǎng)的大量使用。
　　論文從理論上分析扭轉(zhuǎn)微鏡驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源，以及各個(gè)參數(shù)對(duì)其靜態(tài)力學(xué)特性和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響，確定扭轉(zhuǎn)微鏡的最佳結(jié)構(gòu)。通過(guò)模擬該傳感器用于檢測(cè)不同幅值交流電信號(hào)的情況，得到扭轉(zhuǎn)微鏡在不同電流下的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)扭轉(zhuǎn)角幅度以及歸一化光強(qiáng)信號(hào)，并得出電流幅

4、值與扭轉(zhuǎn)角幅度之間的關(guān)系。同時(shí)，電流幅值與歸一化光強(qiáng)損耗之間的關(guān)系也被確定。理論研究表明，這一 MEMS交流電傳感器具有很高的靈敏度，在電流幅值為0-50A范圍內(nèi)，其歸一化光強(qiáng)變化率最高可達(dá)0.024/A。
　　在實(shí)驗(yàn)室完成聚合物扭轉(zhuǎn)微鏡的制作并搭建檢測(cè)光路。分析光路調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的失真信號(hào)，并排除原因。調(diào)試完成后，在實(shí)驗(yàn)室無(wú)光照環(huán)境下對(duì)不同幅值的交流電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在電流幅值為0A-10A范圍內(nèi)時(shí)，傳感器歸一化光強(qiáng)