光纖電壓傳感器

1、光纖電壓傳感器Optical fibre voltage sensor目錄引言分類發(fā)展前景應(yīng)用1引言2原理及優(yōu)點(diǎn)光纖電壓傳感器是利用光纖完成信號(hào)的傳輸，利用晶體的特定物理效應(yīng)來敏感電壓。光纖電壓傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，易滿足小型化、智能化、多功能的要求。安全可靠防燃遠(yuǎn)距離觀測(cè)防爆系統(tǒng)遙測(cè)及監(jiān)控抗電磁干擾測(cè)量精度高耐腐蝕耐高壓3分類功能型非功能型 按傳感機(jī)理可分為功能型和非功能型兩類。 功能型光纖電壓傳感器中光纖不只是作為光的傳輸介質(zhì)，本身還作為進(jìn)行光調(diào)制的敏感元件。非功能型光纖電壓傳感器光纖只作為光的傳輸介質(zhì)，光調(diào)制由其他晶體完成。引言功能型光纖電壓傳感器主要是應(yīng)用線性壓電元件或電致伸縮元件作為相

2、位調(diào)制器。相位調(diào)制器的工作原理為：外加電壓作用使壓電元件上或電致伸縮元件產(chǎn)生徑向伸縮，從而引起纏繞在壓電元件或電致伸縮元件上的光纖的折射率改變，使光相位隨外加電壓的變化而變化，通過檢測(cè)光的相位變化就可以得出被測(cè)電壓的大小。相位調(diào)制一般采用干涉測(cè)量的方法來檢測(cè)光相位變化，實(shí)現(xiàn)功能型光纖電壓傳感器的干涉測(cè)量的儀器主要有馬赫-澤德干涉型傳感器和光纖模-模干涉型傳感器。4原理功能型5 馬赫-澤德干涉型傳感器功能型 原理：激光器輸出的光經(jīng)馬赫-澤德干涉型傳感器分成兩束光，分別沿信號(hào)臂和參考臂傳輸，在信號(hào)臂傳輸?shù)墓庥上辔徽{(diào)制器調(diào)制后，其相位發(fā)生變化，在輸出端兩信號(hào)產(chǎn)生干涉，通過檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化，就可以得

3、到被測(cè)信號(hào)的大小。6缺點(diǎn)及不足缺點(diǎn)不足功能型由于該傳感器利用兩個(gè)臂中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的干涉來獲取被測(cè)信號(hào)，因此受環(huán)境的干擾會(huì)造成信號(hào)臂與參考臂不同步而引起傳感器的消偏。這對(duì)干涉型傳感器是非常不利的。壓電相位調(diào)制器在低頻時(shí)存在著噪聲，這限制了傳感器在低頻時(shí)的分辨率。如果利用電致伸縮元件代替壓電元件，把高頻信號(hào)與低頻被測(cè)電壓信號(hào)同時(shí)加到電致伸縮元件上，由混頻效應(yīng)，把低頻信號(hào)調(diào)制到高頻區(qū)，可以顯著的降低噪聲。7 光纖模-模干涉型傳感器功能型 原理：利用單模保偏光纖的兩正交偏振模（TEx ，TEy）之間的干涉來檢測(cè)相位的，如圖2所示，吧保偏光纖纏繞在壓電相位調(diào)制器上，外電場(chǎng)作用使壓電元件產(chǎn)生伸縮，就會(huì)引起

4、光纖中兩正交偏振模之間的相位差的變化，所求相位差與電場(chǎng)的大小成線性關(guān)系。8補(bǔ)償措施和優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)償措施功能型制造簡(jiǎn)單、價(jià)格低、適用范圍廣。利用壓電相位調(diào)制器不僅用于電壓測(cè)量，還可以用于光纖陀螺的相位調(diào)制。因?yàn)榄h(huán)境干擾會(huì)引起變化，引起輸出電壓漂移，因此需要采取補(bǔ)償措施來消除變化引起的干擾?？梢酝ㄟ^反饋電路，把反饋的誤差電壓Vs經(jīng)HVA放大產(chǎn)生一定的電壓，該電壓使壓電陶瓷PZT2產(chǎn)生負(fù)相移A，其與相抵消，這樣可動(dòng)態(tài)的消除環(huán)境對(duì)輸出的干擾。原理非功能型 線性電光效應(yīng)也叫作普克爾效應(yīng)。當(dāng)沒有反演中心的時(shí)候晶體受到直流電場(chǎng)或者低頻電場(chǎng)作用時(shí)，其折射率發(fā)生于外加電場(chǎng)成線性關(guān)系的變化。當(dāng)然，這里所說的低頻電場(chǎng)

5、是與光頻相比較而言的。 線性光電效應(yīng)是一種特殊的二階非線性光學(xué)效應(yīng)。在這種情況下，作用于介質(zhì)的兩個(gè)電場(chǎng)，一個(gè)是光電廠，另一個(gè)是低頻電場(chǎng)或直流電場(chǎng)，在這兩個(gè)電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生了二階非線性極化。 非功能型光纖電壓傳感器是以電光晶體的線性電光效應(yīng)來感測(cè)電壓的。9泡克爾斯型光纖電壓傳感器非功能型 原理：以光電晶體泡克爾斯效應(yīng)為基礎(chǔ)的偏振調(diào)制型傳感器，工作原理為：在光纖中傳輸?shù)墓饨?jīng)偏振器成為線偏振光，線偏振光通過電光晶體時(shí)，外加電場(chǎng)的作用使晶體發(fā)生泡克爾斯效應(yīng)，使線偏振光的空間方向偏轉(zhuǎn)，從而通過檢偏器測(cè)出光強(qiáng)的變化，就可以算出被測(cè)電壓的大小。10橫向縱向優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)比非功能性ab采用縱向調(diào)制的光纖電壓傳感器

6、，優(yōu)點(diǎn)是半波電壓只與晶體的電光性能有關(guān)，而與晶體尺寸無關(guān)，可以通過增加晶體的長(zhǎng)度來增加相互作用長(zhǎng)度，這樣增加了電光效應(yīng)。但縱向調(diào)制下，須在晶體兩端面上蒸涂透明電極，不僅增加了工藝的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本，還增加了光學(xué)損耗，降低了靈敏度；另外，采用這種方式，不能或很難采用電容分壓結(jié)構(gòu)，其線性動(dòng)態(tài)范圍低，不適合用于電壓較高的場(chǎng)合，一般采用橫向調(diào)制方式。采用橫向調(diào)制方式光纖電壓傳感器，測(cè)量范圍為10V-40KV，測(cè)量精度0.5%-1%左右。用于泡克爾斯型傳感器的材料由BSO（Bi12SiO20）晶體、BGO（Bi4Ge3O12）晶體等。BSO晶體具有旋光性，傳感器的溫度特性受溫度依賴旋光功率的制約，使得傳

7、感器的溫度特性與d有關(guān)，這為傳感器研制和調(diào)整帶來了困難。BGO晶體為立方晶體，既沒有自然雙折射，也沒有旋光性，因此，利用BGO晶體做敏感材料，其溫度穩(wěn)定性好，這就為傳感器的設(shè)計(jì)帶來了方便。以BGO晶體為敏感材料的光纖電壓傳感器精度已達(dá)到1%水平。橫向調(diào)制縱向調(diào)制11集成光學(xué)馬赫-澤德干涉儀非功能型 原理：集成光學(xué)電壓傳感器雖然也是以泡克爾斯效應(yīng)為基礎(chǔ)，但它是利用平面光無源調(diào)制器件來進(jìn)行光的調(diào)制。傳統(tǒng)的集成光學(xué)電壓傳感器結(jié)構(gòu)如上圖所示。工作原理為：當(dāng)電壓加在該傳感器上時(shí)，加在馬赫-澤德干涉儀兩臂上的電場(chǎng)方向相反，當(dāng)光通過波導(dǎo)時(shí)，每臂上均發(fā)生泡克爾斯效應(yīng)，產(chǎn)生大小相等方向相反的相移，因此，可通過相

8、移差來推知電壓的大小。但電極間隙小、不能承受高電壓是它的缺點(diǎn)。12平行板電極結(jié)構(gòu)非功能型 原理：馬赫-澤德光纖干涉儀集成光學(xué)傳感器，在高電壓下需電容分壓器，難于設(shè)計(jì)制作。S.A.Kingsley研制出平行板電極光纖電壓傳感器，傳感器采用平行板電極結(jié)構(gòu)，電極間空隙較大，能承受高電壓，無需電容分壓。其核心是在馬赫-澤德干涉儀的一臂上創(chuàng)建逆極化區(qū)，把Ti層擴(kuò)散到作用區(qū)可實(shí)現(xiàn)逆極化區(qū)的創(chuàng)立。然后，利用質(zhì)子交換技術(shù)使馬赫-澤德干涉儀一臂的波導(dǎo)通道校直在逆極化通道區(qū)上面。這樣，Ti擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)的電光系數(shù)與質(zhì)子交換波導(dǎo)區(qū)的電光系數(shù)相反，當(dāng)電壓加在傳感器上時(shí)，傳輸光在兩通道中產(chǎn)生相等但方向相反的相移，其凈相移為

9、每一波導(dǎo)中產(chǎn)生的相移的兩倍，在Y分支兩輸出光會(huì)和，相位調(diào)制被轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度調(diào)制光。13三相測(cè)量系統(tǒng)1986年，在某電場(chǎng)安裝了光纖電流傳感器之后，又展開了針對(duì)單相計(jì)費(fèi)測(cè)量系統(tǒng)的光纖電壓傳感器的研制工作。故障檢測(cè)日本Eiya Aikawa利用光纖傳感器開發(fā)研制的光零序電流、電壓傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)配電線路中的電壓互感器(PT)、電流互感器(CT)、零序變流器(ZCT)、接地電壓互感器(GPT)來進(jìn)行配電線路中故障定位。電力配電系統(tǒng)的自動(dòng)控制NASA噴氣推動(dòng)研究室Allan設(shè)計(jì)了用于電力配備系統(tǒng)的自動(dòng)控制的光纖電壓POCKELS型電壓傳感器。瞬態(tài)電壓測(cè)量日本T.Mitsui針對(duì)GIS系統(tǒng)提出利用POCKELS體光纖電壓傳感器來測(cè)量瞬態(tài)電壓。氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）的電壓測(cè)量日本Sumitomo公司提 出把研究的光纖電壓傳感器與光纖磁場(chǎng)傳感器封裝到 G