一種線性測量的光纖電壓傳感器

王 云 胡裕峰 鄒志堅 蔡 禮 朱建武

（國網(wǎng)南昌市供電公司，南昌 330000）

一種線性測量的光纖電壓傳感器

王 云 胡裕峰 鄒志堅 蔡 禮 朱建武

（國網(wǎng)南昌市供電公司，南昌 330000）

本文提出了一種基于馬赫-曾德爾干涉原理的光纖電壓傳感器，可以將電光相位延遲直接轉(zhuǎn)化為干涉條紋的位移，通過定位條紋的位移量得到待測電壓。本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一方法的有效性。該光纖電壓傳感器具有直接線性測量、測量方式與光強(qiáng)無關(guān)、測量范圍不受晶體半波電壓限制、原理簡單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，滿足0.5級準(zhǔn)確度的要求。

光纖電壓傳感器；馬赫-曾德爾干涉；電光調(diào)制器；CCD

傳統(tǒng)的電磁式電壓傳感器存在安全性差、抗電磁干擾能力差、體積大、性價比低等缺點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足電網(wǎng)發(fā)展的要求[1-4]。光纖電壓傳感器（optical voltage transducer, OVT）具有不受電磁干擾、絕緣成本低、體積小、重量輕、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器比較，具有原理技術(shù)優(yōu)勢[5-9]。

光纖電壓傳感器可被分為功能型和非功能型兩種[10-11]。功能型光纖電壓傳感器通過檢測光的相位變化就可以得到待測電壓的大小，非功能型光纖電壓傳感器需通過檢測出射光強(qiáng)的大小來測量電壓，這種非功能型的光強(qiáng)檢測模式存在近似線性、測量范圍小，易受光源輸出波動和應(yīng)力線雙折射的影響等缺點(diǎn)。一種基于馬赫-曾德爾干涉原理的（Mach-Zehnder Interferometer）的非功能型光纖電壓傳感器[12]，利用壓電陶瓷的電致伸縮效應(yīng)拉伸光纖，將電壓大小轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮鏃l紋的位移。這種方法的缺點(diǎn)是，光纖老化的問題難以解決，光纖拉伸產(chǎn)生傳輸損耗；對環(huán)境的干擾（如熱脹冷縮、震動等）比較敏感。

本文提出了一種新型基于馬赫-曾德爾干涉原理的非功能型光纖電壓傳感器，在干涉儀的傳感臂上放置一個電光調(diào)制器，利用電光晶體的 Pockels效應(yīng)將電壓轉(zhuǎn)化為平移的干涉條紋。通過測量條紋位移的距離，實(shí)現(xiàn)對電壓的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的光強(qiáng)測量模式，該光纖電壓傳感器具有直接線性測量、測量方式與光強(qiáng)無關(guān)、測量范圍不受晶體半波電壓的限制等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足 0.5級準(zhǔn)確度的要求。

1 光強(qiáng)測量模式的局限性

根據(jù)Pockels效應(yīng)，橫向調(diào)制的電光晶體在外加電壓U的作用下，其電光相位延遲φ 為

式中，n為晶體的折射率；γ 為晶體的線性電光系數(shù)；λ 為光源波長；l為晶體的通光路徑；d為電場施加方向的晶體厚度；U為待測電壓；Uπ為晶體的半波電壓。

通常認(rèn)為現(xiàn)有的技術(shù)無法直接測量電光相位延遲，因此借助于偏光干涉，可得到輸出光強(qiáng)，即

式中，I為輸出光強(qiáng)，I0為輸入光強(qiáng)。將φ 控制在很小的角度范圍內(nèi)，有sinφ ≈φ，得到

而這一測量模式存在以下問題。

1.1 與光功率密切相關(guān)

光源輸出功率和中心波長存在溫漂，光學(xué)器件如透鏡、起偏器、檢偏器和波片的熱脹冷縮引起光耦合效率發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出光功率的損耗與波動，光學(xué)器件自身的溫漂、光電轉(zhuǎn)換器件與電子器件的溫漂等。這些問題直接影響出射光強(qiáng)的大小，導(dǎo)致測量誤差。

以光源為例，光學(xué)電壓互感器用的光源多采用LED，其波長溫度變化系數(shù)約為0.2nm/℃[13]，溫度變化引起光源波長的變化，繼而影響晶體的電光相位延遲。假設(shè)溫度變化ΔT而引起的波長變化為Δλ，由式（1）可知溫度變化產(chǎn)生的電光相位延遲為

以光源波長為980nm為例，當(dāng)ΔT=100℃時，帶入式（5），得到因波長變化而產(chǎn)生的相位延遲誤差約為2.0%。

1.2 近似線性測量的局限性

半波電壓Uπ是電光晶體的固有特性。為了實(shí)現(xiàn)對電光相位延遲的線性測量，通常對式（2）取一級近似sinφ ≈φ。對于OVT必須具備的0.2級測量準(zhǔn)確度，理論上要求φ ＜6.28°[14]，結(jié)合式（1），得到

在相同的電場強(qiáng)度作用下，Uπ越大則φ 越小，有利于擴(kuò)大測量范圍；而Uπ越小則φ 越大，有利于提高測量靈敏度。所以，晶體固有的半波電壓使OVT的測量范圍與測量靈敏度存在矛盾。

1.3 晶體附加相位延遲的影響

OVT一般使用BGO晶體作為電壓敏感材料。晶體在加熱、熔化、生長、退火、冷卻過程中不可避免地留下殘余應(yīng)力，引起線性雙折射和圓雙折射，產(chǎn)生附加相位延遲，影響測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

由式（1）對溫度求導(dǎo)，可得出溫度對晶體相位延遲的影響：

式中，k 表示 n03γ41。

BGO晶體的線性電光系數(shù)γ41=1.03×10-12，晶體的折射率 n0=2.09，晶體的電光效應(yīng)溫度系數(shù)?k/?T為1.54×10-4/℃[15]。則溫度對晶體相位延遲的影響為

因此，當(dāng)ΔT=100℃時，將額外引入0.164%的附加相位延遲。

1.4 其他因素的影響

OVT在運(yùn)行過程中不可避免地存在熱脹冷縮、震動與器件連接的老化等因素，使傳輸光纖和電光晶體產(chǎn)生隨機(jī)應(yīng)力雙折射，導(dǎo)致附加相位延遲并與電光相位延遲混疊在一起，難以區(qū)分應(yīng)對。同時，這些問題還會造成光路或光學(xué)器件的相互位置產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致測量產(chǎn)生誤差[8]。

2 基于M-Z干涉的新型OVT

新型OVT的結(jié)構(gòu)如圖1所示，將一個橫向調(diào)制的電光調(diào)制器放在M-Z干涉儀的一個分支上，光源發(fā)出的光通過起偏器形成偏振光，再進(jìn)入一個 3db耦合器分為等強(qiáng)度的兩束光，分別進(jìn)入M-Z干涉儀的兩臂。其中經(jīng)過帶有電光調(diào)制器一側(cè)的偏振光，在外加電壓的作用下產(chǎn)生電光相位延遲φ ，如式（1）所示，兩束光通過檢偏器后形成干涉條紋。出射光強(qiáng)Io和入射光Ii的關(guān)系為

圖1 基于M-Z干涉儀的OVT結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)干涉儀兩臂的相位差φ 滿足

所得到的光強(qiáng)Io為最大值，即對應(yīng)亮條紋的中心位置。當(dāng)φ 滿足

所得到的光強(qiáng)Io為最小值，對應(yīng)暗條紋的中心位置。隨著相位差φ 的變化，亮、暗條紋的位置交替變化，當(dāng)φ 變化達(dá)到2π 時，條紋位移了一個周期，如圖2所示，其中l(wèi)為干涉條紋一個周期的寬度。

圖2 干涉條紋完整周期的寬度

電光調(diào)制器的外加電壓從零增加至 U，對應(yīng)的干涉條紋位移的距離為x，則U為

測量條紋的位移x，便可得到電壓U的大小，實(shí)現(xiàn)直接線性測量，測量的范圍不受晶體的半波電壓限制。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖3的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用分布反饋式半導(dǎo)體光源，光源波長為 980nm，光纖耦合輸出，光斑直徑為3mm，功率為30mW，激光由光纖耦合器進(jìn)入光纖，電光調(diào)制部分采用中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所生產(chǎn)的Y波導(dǎo)集成器，型號為GC85YC2010，其中LiNbO3的半波電壓為2.3V。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該調(diào)制器有一根輸入尾纖，兩根等長度的輸出尾纖，一個地電極，一個正電極和一個負(fù)電極，電壓施加在正負(fù)電極上，可同時驅(qū)動干涉儀的兩臂，其中一臂進(jìn)行電壓調(diào)制，另一臂為參考。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖4 Y波導(dǎo)示意圖

此外，Y波導(dǎo)兩個輸出的分光比穩(wěn)定，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在-40～70℃的溫度范圍內(nèi)，分光比變化小于0.5%，見表1。

表1 Y波導(dǎo)的溫度試驗(yàn)

Y波導(dǎo)的輸出尾纖等長地固定在光纖座上，出射光通過檢偏器在紙屏上形成干涉條紋。采用線陣CCD相機(jī)（S3-20-02K40）測量干涉條紋移動的距離 x，相機(jī)的最大行頻為 36kHz，每個像素尺寸為14μm×14μm，每個工頻周期采集 40個點(diǎn)，分辨率為 2048。通過 CCD相機(jī)定位圖像暗條紋中心的位置，如圖5所示。CCD采集圖像信息后，將信息送至數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行暗條紋的位移量x的運(yùn)算，并轉(zhuǎn)換為電壓值，送入上位機(jī)顯示。在數(shù)據(jù)的讀取過程中，會出現(xiàn)暗條紋底部是平的情況，即有幾個相同的最小值，如圖5像素點(diǎn)灰度值分布。因此，條紋的數(shù)據(jù)處理采用最小值算法，即先對一維圖像進(jìn)行平滑處理，將每一個像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行更新，取最靠近該點(diǎn)的30個像素點(diǎn)的平均灰度值，以確定條紋的中心位置。

圖5 干涉條紋的CCD圖像和暗條紋的定位

若將待測電壓調(diào)整為電光調(diào)制器的半波電壓，即為 2.3V，所對應(yīng)的相位變化為π，此時像素點(diǎn)位移了4，則一個位移像素點(diǎn)所對應(yīng)的電壓為0.575V。假設(shè)初始暗條紋中心位置的像素點(diǎn)為N0，改變外加電壓后暗條紋中心所在像素點(diǎn)為Nx，實(shí)時待測電壓U可表達(dá)為

圖6為實(shí)驗(yàn)過程中電壓變化時暗條紋的位移情況。

圖6 實(shí)驗(yàn)中干涉條紋位移情況

按照IEC 60044-7電子式電壓互感器標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

從表 1可得，在不同電壓下互感器的比差＜0.5%，角差＜20′，符合電子式電壓互感器 0.5%準(zhǔn)確級的要求。

基于M-Z的OVT一大優(yōu)點(diǎn)是光功率無關(guān)性，本文對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在光源后加入一塊衰減片，通過調(diào)節(jié)衰減片可調(diào)整光源輸出光強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過調(diào)節(jié)衰減片，使輸出光強(qiáng)分別為原始光強(qiáng)的30%、50%和80%，圖6顯示的條紋并未發(fā)生移動，新型OVT與光功率無關(guān)得證。

圖7 OVT光功率無關(guān)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

本文提出了一種基于馬赫-曾德爾干涉原理的光學(xué)電壓傳感器，利用Pockels效應(yīng)將外加電壓轉(zhuǎn)換為干涉條紋的位移，通過CCD相機(jī)定位條紋的位移實(shí)現(xiàn)了對電壓的直接線性測量。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，干涉條紋的位移量和電光相位延遲的線性關(guān)系良好，解決了近似線性與半波電壓限制的問題，測量方式與光強(qiáng)無關(guān)。其原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)，滿足0.5%準(zhǔn)確級的要求。但是仍然存在以下幾個問題需要解決：

1）光纖在受到振動和其他機(jī)械擾動時產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并引入一定的噪聲，影響測量結(jié)果。

2）測量分辨率受CCD相機(jī)像元尺寸的限制，需要進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足0.2級的測量要求。

3）只對個別子系統(tǒng)進(jìn)行了溫度特性實(shí)驗(yàn)，例如對Y波導(dǎo)的分光比進(jìn)行了溫度測試，未對全系統(tǒng)進(jìn)行高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)，需要在后續(xù)的工作中補(bǔ)充。

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The New Optical Voltage Sensor for Linear Measurement

Wang Yun Hu Yufeng Zou Zhijian Cai Li Zhu Jianwu
(State Grid Jiangxi Electric Power, Nanchang 330000)

An OVT based on Mach-Zehnder interferometer is proposed in this paper, which helps to convert the electro-optic phase delay into the displacement of the interference fringe. And then, the voltage applied to the electro-optic crystal is obtained by positioning the displacement of the fringe, and the effectiveness of this method is verified by experiments. The new OVT meets the requirements of 0.5% accuracy class. And it has advantages of direct linear measurement, independent of light intensity and no limit by half wave voltage of crystal in measurement range. Moreover the new OVT is simple and easy to be built up.

OVT; Mach-Zehnder interferometer; electro-optic modulator; CCD

王 云（1988-），男，江西南昌人，博士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)識別、電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制工作。