新型線性測(cè)量的光纖電壓傳感器概述

摘 要：傳統(tǒng)的電磁式電壓傳感器由于自身技術(shù)限制的原因，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前電網(wǎng)的發(fā)展需求了，而基于M-Z的非功能型光纖電壓傳感器的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，但是目前這種光纖電壓傳感器同樣存在一定的問題，本文首先對(duì)光強(qiáng)測(cè)量模式存在的局限性進(jìn)行了分析，然后對(duì)新的基于M-Z的非功能型光纖電壓傳感器進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：電壓傳感器；光纖；非功能型

1.引言

對(duì)于傳統(tǒng)的電磁式電壓傳感器來說，由于技術(shù)有限，其安全性以及抗電磁干擾性能較差，同時(shí)體積也較大，性價(jià)比也不是很高，所以已經(jīng)很難符合當(dāng)前電網(wǎng)的發(fā)展需求了。相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁式電壓傳感器，光纖電壓傳感器具有很大的優(yōu)勢(shì)，比如絕緣成本不是很高、電磁抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)體積不是很大，具有很高的性價(jià)比，另外在原理技術(shù)層面上，光纖電壓傳感器也具有較大的優(yōu)勢(shì)。

2.光纖電壓傳感器的現(xiàn)狀

從目前的發(fā)展來看，光纖電壓傳感器主要分為兩大類：功能型以及非功能型。對(duì)于功能型光纖電壓傳感器來說，其是利用對(duì)光的相位變化的檢測(cè)從而實(shí)現(xiàn)電壓大小的檢測(cè)的，對(duì)于非功能型光纖電壓傳感器來說，其是利用出射光強(qiáng)的檢測(cè)從而實(shí)現(xiàn)電壓大小的檢測(cè)的，但是對(duì)于這一類非功能型的電壓傳感器來說，其檢測(cè)的模式測(cè)量的范圍不是很大，同時(shí)很容易就會(huì)受到光源輸出波動(dòng)的影響，因此存在著很多的缺點(diǎn)。后來科學(xué)家研發(fā)出了一款基于馬赫-曾德爾干涉原理的非功能型光纖電壓傳感器，對(duì)于這種非功能型傳感器來說，其是通過壓電陶瓷的電磁伸縮效應(yīng)對(duì)光纖進(jìn)行拉伸的，從而把電壓的大小轉(zhuǎn)化成干涉條紋的位移大小。對(duì)于這種原理來說，同樣存在著一定的缺點(diǎn)，其中一個(gè)主要的問題就是光線老化，光纖在被拉伸的過程中會(huì)形成傳輸損耗。

在本文中介紹一種全新的基于馬赫-曾德爾干涉原理的非功能型光纖電壓傳感器，和之前的電壓傳感器的不同之處在于，其在干涉儀所具有的傳感臂上面安裝了電光調(diào)制器，之后傳感器通過電光晶體所具有的Pockels效應(yīng)把電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槠揭频母缮鏃l紋。之后再對(duì)條紋位移的大小進(jìn)行測(cè)量，這樣就能夠測(cè)量電壓的大小了。

3.光強(qiáng)測(cè)量模式存在的局限性

通過Pockels效應(yīng)我們能夠得知，對(duì)于橫向調(diào)制的電光晶體來說，其在一個(gè)外加電壓的作用之下，會(huì)形成電光相位延遲，其大小為：

（1）

在上面的式子里面，是晶體折射率大??；是晶體線性電光系數(shù)的大小；是光源波長(zhǎng)的大小；是晶體通光路徑的長(zhǎng)短大小；是電場(chǎng)施加方向上面的晶體厚度的大?。皇谴郎y(cè)電壓的大??；是晶體半波電壓的大小。

一般情況下會(huì)認(rèn)為目前的技術(shù)是沒有辦法對(duì)電光相位的延遲大小進(jìn)行直接測(cè)量的，所以都是借助偏光干涉，這樣就能夠獲得輸出光強(qiáng)的大小，也就

（2）

在上面的式子里面，是輸出光強(qiáng)的大小，是輸入光強(qiáng)的大小。把的大小控制在一個(gè)非常小的范圍里面，那么，可以得到

（3）

（4）

但是這個(gè)測(cè)量的模式是有下面幾個(gè)問題的。

3.1和光功率存在著較為密切的關(guān)聯(lián)

對(duì)于光源輸出功率來說，其和中心波長(zhǎng)是具有溫漂的，光學(xué)器件的熱脹冷縮效應(yīng)會(huì)造成光耦合的效率出現(xiàn)一定的改變，造成輸出光功率出現(xiàn)一定波動(dòng)以及損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致光學(xué)器件本身出現(xiàn)溫漂等。對(duì)于這些問題來說，會(huì)對(duì)出射光強(qiáng)的大小造成直接的影響，最終使得測(cè)量存在著很大誤差。

以光源來舉例，對(duì)于光學(xué)電壓互感器來說，其所使用到的光源大多數(shù)都是LED，波長(zhǎng)的溫度變化系數(shù)大小一般是0.2nm/℃，當(dāng)溫度出現(xiàn)變化的時(shí)候，光源的波長(zhǎng)就會(huì)出現(xiàn)改變，這樣就會(huì)造成晶體的電光相位出現(xiàn)一定的延遲。這里我們假定溫度的變化大小會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)波長(zhǎng)的變化是，那么通過公式（1）就能夠得知當(dāng)溫度出現(xiàn)變化的時(shí)候，所形成的電光相位延遲大小是：

（5）

以一個(gè)波長(zhǎng)是980納米的光源舉例，在溫度變化的大小是100攝氏度的時(shí)候，能夠得出由于波長(zhǎng)的變化而形成的相位延遲誤差大小大約是2.0%。

3.2近視線性測(cè)量所形成的局限性

對(duì)于電光晶體來說，其存在一個(gè)固有的特性就是存在半波電壓。為了能夠完成對(duì)于電光相位延遲大小的線性測(cè)量，一般情況下都是針對(duì)于式子（2）取。然后再結(jié)合式子（1），便可以得出

（6）

如果是在完全一樣的電場(chǎng)強(qiáng)度的作用之下，對(duì)于半波電壓來說，其值越大，那么的大小就越小，這樣能夠有助于對(duì)測(cè)量范圍進(jìn)行擴(kuò)大；而半波電壓的值越小，那么就越大，那么就會(huì)有助于使測(cè)量的靈敏度得到提升。因此，能夠看得出來，晶體所固有的會(huì)讓OVT的測(cè)量靈敏度和測(cè)量范圍之間具有一定的矛盾。

3.3晶體具有的附加相位延遲所帶來的影響

通常情況下，對(duì)于OVT來說，都是采用BGO晶體來作為電壓敏感材料的。對(duì)于晶體來說，其在進(jìn)行熔化或者是加熱的過程中一定會(huì)留下倆一定的應(yīng)力，造成線性雙折射以及圓雙折射，形成附加的相位延遲，這會(huì)使得測(cè)量的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性均受到很大的影響。

通過式子（1）對(duì)溫度來進(jìn)行求導(dǎo)計(jì)算，能夠得到溫度針對(duì)于晶體相位延遲大小的影響為：

（7）

在上面的式子里面，k所表示的是。

對(duì)于BGO晶體來說，其線性電光系數(shù)的大小，折射率大小，電光效應(yīng)溫度系數(shù)大小。那么溫度針對(duì)于晶體相位延遲大小的影響是

（8）

所以，在溫度變化值大小為100攝氏度的時(shí)候，就會(huì)額外的引入了0.164%的附加相位延遲。

3.4別的一些因素所帶來的影響

對(duì)于OVT來說，其在進(jìn)行運(yùn)行的時(shí)候，一定會(huì)存在著熱脹冷縮或者是器件老化等一系列問題，這使得電光晶體以及傳輸光纖會(huì)形成隨機(jī)的應(yīng)力雙折射，造成電光相位延遲和附加相位延遲兩者出現(xiàn)疊加，沒有辦法進(jìn)行區(qū)分。并且這些問題同樣還會(huì)導(dǎo)致光學(xué)器件之間的位置出現(xiàn)一定的偏差，從而造成測(cè)量的結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差。

4.新的基于馬赫-曾德爾干涉原理的非功能型光纖電壓傳感器概述

所謂的新型OVT就是把一個(gè)橫向調(diào)制的電光調(diào)制器安裝在了M-Z干涉儀上面的某一個(gè)分支上面，對(duì)于光源來說，其所發(fā)射出來的光會(huì)利用起偏器生成相應(yīng)的偏振光，之后再進(jìn)到大小是3db的耦合器分成兩束強(qiáng)度大小是一樣的光，這兩束光會(huì)各自進(jìn)到M-Z干涉儀的兩臂上面。一束通過具有電光調(diào)制器一側(cè)的偏振光，利用外加的電壓的作用之下會(huì)形成電光相位延遲，如式子（1）所示一樣，這兩束光在經(jīng)過檢偏器之后會(huì)生成干涉條紋。對(duì)于出射光強(qiáng)以及入射光來說，兩者之間的關(guān)系是

（9）

在干涉儀上面的兩臂的相位差的大小符合

（10）

得出的光強(qiáng)的大小是最大的，也就是對(duì)應(yīng)的亮條紋的中心位置。在的大小符合

（11）

得出的光強(qiáng)的大小是最小的，也就是對(duì)應(yīng)的暗條紋的中心位置。伴隨著大小的改變，亮條紋以及暗條紋的位置也是在發(fā)生改變的，在的大小是2π的時(shí)候，對(duì)于條紋來說，其就進(jìn)行了一個(gè)周期的位移。

對(duì)于電光調(diào)制器來說，其外加的電壓大小從0增大到U的時(shí)候，所對(duì)應(yīng)的干涉條紋位置的距離大小是x，那么U是

（12）

這樣對(duì)條紋的位移大小x進(jìn)行測(cè)量，就能夠得出電壓U的大小了，從而完成了直接的線性測(cè)量，并且對(duì)于測(cè)量的范圍來說，其不會(huì)受到晶體所具有的半波電壓的限制了。

5.結(jié)論

本文介紹了一種新的基于M-Z的非功能型光纖電壓傳感器，其通過Pockels 效應(yīng)把外加的電壓大小轉(zhuǎn)變成干涉條紋的位移大小，然后利用測(cè)量條紋的位移大小完成了針對(duì)于電壓大小的線性測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

[1]李長(zhǎng)勝，陳佳，王偉岐，鄭巖.ZnS…Cu電致發(fā)光電壓傳感器及其溫度漂移補(bǔ)償[J].中國(guó)光學(xué)，2017，10（04）：514-521.

[2]夏泳，王英楠，代東旭.基于光纖的小功率遠(yuǎn)端供電技術(shù)研究[J].電力信息與通信技術(shù)，2017，15（02）：86-90.

[3]孫媛凱，謝濤，李英娜，陳興畢，趙振剛，李川.變壓器漏磁熱損特征與光纖光柵監(jiān)測(cè)研究[J].激光與紅外，2017，47（01）：92-97.

[4]孫海艷，陳偉，鳳祥云.智能光纖傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光雜志，2017，38（03）：24-27.

作者簡(jiǎn)介

彭武龍（1996—），漢族，籍貫：廣東普寧 職稱：大學(xué)生 研究方向：物理學(xué)師范。

（作者單位：韓山師范學(xué)院）