光纖電壓傳感器

1、光纖電壓傳感器Optical fibre voltage sensor光纖傳感技術及應用目錄引言分類發(fā)展前景應用1引言2原理及優(yōu)點光纖電壓傳感器是利用光纖完成信號的傳輸，利用晶體的特定物理效應來敏感電壓。光纖電壓傳感器具有很多優(yōu)點，易滿足小型化、智能化、多功能的要求。安全可靠防燃遠距離觀測防爆系統(tǒng)遙測及監(jiān)控抗電磁干擾測量精度高耐腐蝕耐高壓3分類非功能型 按傳感機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，本身還作為進行光調制的敏感元件。非功能型光纖電壓傳感器光纖只作為光的傳輸介質，光調制由其他晶體完成。引言功能型光纖電壓傳感器主要是應用線性壓電元件或電致伸

2、縮元件作為相位調制器。相位調制器的工作原理為：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，通過檢測光的相位變化就可以得出被測電壓的大小。相位調制一般采用干涉測量的方法來檢測光相位變化，實現(xiàn)功能型光纖電壓傳感器的干涉測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，分別沿信號臂和參考臂傳輸，在信號臂傳輸?shù)墓庥上辔徽{制器調制后，其相位發(fā)生變化，在輸出端兩信號產(chǎn)生干涉，通過檢測干涉光強的變

3、化，就可以得到被測信號的大小。6缺點及不足缺點不足功能型由于該傳感器利用兩個臂中傳輸?shù)墓庑盘柕母缮鎭慝@取被測信號，因此受環(huán)境的干擾會造成信號臂與參考臂不同步而引起傳感器的消偏。這對干涉型傳感器是非常不利的。壓電相位調制器在低頻時存在著噪聲，這限制了傳感器在低頻時的分辨率。如果利用電致伸縮元件代替壓電元件，把高頻信號與低頻被測電壓信號同時加到電致伸縮元件上，由混頻效應，把低頻信號調制到高頻區(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）之間的干涉來檢測相位的，如圖2所示，吧保偏光纖纏繞在壓電相位調制器上，外電場作用使壓電元件產(chǎn)生伸

4、縮，就會引起光纖中兩正交偏振模之間的相位差的變化，所求相位差與電場的大小成線性關系。8補償措施和優(yōu)點優(yōu)點補償措施功能型制造簡單、價格低、適用范圍廣。利用壓電相位調制器不僅用于電壓測量，還可以用于光纖陀螺的相位調制。因為環(huán)境干擾會引起變化，引起輸出電壓漂移，因此需要采取補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)生負相移A，其與相抵消，這樣可動態(tài)的消除環(huán)境對輸出的干擾。原理非功能型 線性電光效應也叫作普克爾效應。當沒有反演中心的時候晶體受到直流電場或者低頻電場作用時，其折射率發(fā)生于外加電場成線性關系的變化。當然，這里所

5、說的低頻電場是與光頻相比較而言的。 線性光電效應是一種特殊的二階非線性光學效應。在這種情況下，作用于介質的兩個電場，一個是光電廠，另一個是低頻電場或直流電場，在這兩個電場的作用下產(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來感測電壓的。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為基礎的偏振調制型傳感器，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，外加電場的作用使晶體發(fā)生泡克爾斯效應，使線偏振光的空間方向偏轉，從而通過檢偏器測出光強的變化，就可以算出被測電壓的大小。10橫向縱向優(yōu)缺點及對比非功能性ab采用縱向調制的光

6、纖電壓傳感器，優(yōu)點是半波電壓只與晶體的電光性能有關，而與晶體尺寸無關，可以通過增加晶體的長度來增加相互作用長度，這樣增加了電光效應。但縱向調制下，須在晶體兩端面上蒸涂透明電極，不僅增加了工藝的復雜性和生產(chǎn)成本，還增加了光學損耗，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構，其線性動態(tài)范圍低，不適合用于電壓較高的場合，一般采用橫向調制方式。采用橫向調制方式光纖電壓傳感器，測量范圍為10V-40KV，測量精度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

7、制約，使得傳感器的溫度特性與d有關，這為傳感器研制和調整帶來了困難。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，這就為傳感器的設計帶來了方便。以BGO晶體為敏感材料的光纖電壓傳感器精度已達到1%水平。橫向調制縱向調制11集成光學馬赫-澤德干涉儀非功能型 原理：集成光學電壓傳感器雖然也是以泡克爾斯效應為基礎，但它是利用平面光無源調制器件來進行光的調制。傳統(tǒng)的集成光學電壓傳感器結構如上圖所示。工作原理為：當電壓加在該傳感器上時，加在馬赫-澤德干涉儀兩臂上的電場方向相反，當光通過波導時，每臂上均發(fā)生泡克爾斯效應，產(chǎn)生大小相等方向相反的相移，因

8、此，可通過相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。12平行板電極結構非功能型 原理：馬赫-澤德光纖干涉儀集成光學傳感器，在高電壓下需電容分壓器，難于設計制作。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構，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層擴散到作用區(qū)可實現(xiàn)逆極化區(qū)的創(chuàng)立。然后，利用質子交換技術使馬赫-澤德干涉儀一臂的波導通道校直在逆極化通道區(qū)上面。這樣，Ti擴散波導區(qū)的電光系數(shù)與質子交換波導區(qū)的電光系數(shù)相反，當電壓加在傳感器上時，傳輸光在兩通道中產(chǎn)生相等但方向相反的相移

9、，其凈相移為每一波導中產(chǎn)生的相移的兩倍，在Y分支兩輸出光會和，相位調制被轉換為強度調制光。13三相測量系統(tǒng)1986年，在某電場安裝了光纖電流傳感器之后，又展開了針對單相計費測量系統(tǒng)的光纖電壓傳感器的研制工作。故障檢測日本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)來進行配電線路中故障定位。電力配電系統(tǒng)的自動控制NASA噴氣推動研究室Allan設計了用于電力配備系統(tǒng)的自動控制的光纖電壓POCKELS型電壓傳感器。瞬態(tài)電壓測量日本T.Mitsui針對GIS系統(tǒng)提出利用POCKELS體光纖電壓傳感器來測量瞬態(tài)電壓。氣體絕緣開關設備（GIS）的電壓測量日本Sumitomo公司提 出把研究的光纖電壓傳感器與光纖磁場傳感器封裝到