（光学工程专业论文）供电网瞬态波前光纤检测系统的研制.pdf

y5 8 6 4 5 0 北方交通人学硕十学位论文摘要 摘要 供电网光纤瞬态波前检测系统是光纤电压传感器的进一步发展， 原有的光纤电压传感器测量的大都是电网中的稳态情况。但是在电力 系统中，瞬态的过电压往往会对电气设备造成巨大的破坏， 引起系统 中过电压因素有很多:如分合闸产生的操作过电压，电容效应引起的 电压升高， 及瞬间的雷击等，正确的测量这些瞬态电压， 分析其对电气 设备及电力系统工作状态的影响，对于及时的保护供电设备，确定设 备的绝缘标准，提高供电质量具有重要的意义。 光纤电压传感以光作为信号的载体， 光纤作为光的传输媒体， 具 有良好的电绝缘性能，不受电磁干扰，具有带宽高，体积小，无电磁 感应等优点，而且它可以很容易地和电站的光纤传输网相连，因此它 一出现就备受各国研究者的青睐。从7 0 年代末至今的二十多年里， 实用型光纤电压传感的研究就没有停止过。因此，对实用化光纤电压 传感的研究，既具有学术价值，又具有很大的社会经济价值。 本文结合实用供电网光纤瞬态波前检测系统的研究， 对体调制型 光纤电压传感器进行了深入研究。论文主要工作为: 1 .对光纤电压传感的发展作了较为全面的阐述，并提出其发展趋 向。 2 .设计了以b g o晶体为传感元件， 以其电光效应为原理的实验系 统，验证了b g o晶体在不同电场施加方向及光传播方向下，b g o晶 体的p o c k e l s 效应。 3 .制作了以b g o晶体的电光效应为基础的光纤传感头， 并对其温 度特性做了简单的分析。 4 .对供电网瞬态波前检测系统的光发和光收电路进行了设计，制 作和调试。并对系统进行了现场测试，对测试结果进行了精度分析和 误差计算。 关键词:光纤传感电压检测电光效应。 未缭作行、 分 帅间.a 勿全文公布 北方交通大学硕十学位论文 abs tract ab s t r a c t t h e s y s t e m o f i n s t a n t a n e o u s w a v e me n t m o n i t o r i s t h e d e v e l o p m e n t o f t h e o p t i c a l f i b e r v o l t a g e s e n s o r , w h i c h i s b a s e d o n t h e t h e o ry o f o p t i c a l f i b e r v o l t a g e s e n s o r . t h e t r a d i t i o n a l o p t i c a l f i b e r s e n s o r c a n o n l y m e a s u r e t h e s t a b l e c o n d it i o n o f t h e e l e c t r i c p o w e r n e t w o r k . b u t t h e r e a r e m a n y e l e m e n t s , w h i c h w i l l d e s t r o y t h e p o w e r s y s t e m . t o m e a s u r e t h e s e o v e r v o l t a g e a n d a n a l y s i s i t s i n fl u e n c e t o th e e l e c t r i c s y s t e m i s v e ry i m p o r t a n t t o p r o t e c t t h e e l e c t ri c i n s t r u m e n t , e s t a b l i s h t h e s t a n d a r d o f i s o l a t i o n a n d p r o m o t e t h e q u a l i t y o f e l e c t r i c p o w e r s y s t e m . o p t i c a l i s t h e c a r r i e r a n d t h e f i b e r i s t h e m e d i a o f t h e s e n s o r . s o t h e s e n s o r h a s a g o o d c h a r a c t e r o f i s o l a t io n a n d im m u n e o f e l e c t r o m a g n e t i s m. i t i s e a s y t o c o n n e c t w it h f i b e r t r a n s f e r n e t w o r k . t h e re s e a r c h o n t h e o p t i c a l f ib e r s e n s o r h a d b e e n s t u d y i n g f o r t w e n t y y e a r s . t o r e s e a r c h p r a c t i c a l s e n s o r i s b o t h s i g n i f i c a n c e f o r e c o n o m y v a lu e a n d s c i e n c e v a l u e . wh a t i h a v e d o w n i n t h i s p a p e r i s : 1 . e x p o u n d i n g t h e d e v e l o p m e n t o f o p t i c a l f ib e r s e n s o r a n d a n a l y z i n g t h e t e n d e n c y o f t h e s e n s o r 2 . d e s i g n i n g t h e e l e c t r i c - o p t i c a l e f f e c t e x p e r i m e n t s y s t e m 3 . p r o d u c i n g t h e o p t i c a l fi b e r s e n s o r a n d a n a l y z i n g t h e t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c 4 . p r o d u c i n g t h e c i r c u i t o f t h e s e n s o r , a n d t e s t i n g i n p r a c t i c a l 5 . s y n t h e s i z i n g t h e s y s t e m a n d a n a ly z i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c o f i t s e r r o r a n d p r e c i s i o n ke y w o r d f i b e rs e n s o r v o l t a g e d e t e c t o r 北方交通人 学硕 卜 学位论文第一章 第一章绪论 1 . 1 课题来源及意义 供电网瞬态波前检测系统是和华北电力合作的科研项目，目的是 提供一套可供电网现场使用的，适合检测电网瞬态波前的光纤电压传 感器。 电网的瞬态波前检测，对于分析瞬态波前变化对电气设备及电力 系统工作状态的影响，及时的保护供电设备，确定设备的绝缘标准， 提高供电质量具有重要的意义。 传统的电磁式电压互感器， 虽然在测量精度及实时性等方面都能 达到测量要求，并己经被广泛应用于电网的电压测量中，但也存在一 些明显的不足: 1 ， 互感器在大电流时会因磁饱和而使监测的灵敏度下降， 并引起波形 失真。 2 . 互感器整个测量装置存在二次短路和开路的危险。 3 . 互感器中存在电感线圈，不利于测量电压高频分量。 4 . 传统的电压互感器的分合闸， 会因过渡过程产生电压震荡， 引起真 空开关的永久性破坏。 最重要的是， 传统的电磁式互感器不能检测瞬态的波前变化。 因 此，电力工业一直希望能应用光结构传感器来取代传统的电磁结构传 感器。光学技术和传统的电 磁互感技术相比以下几大优点: 1 .光纤传感器不存在任何导电 因素，绝 缘性好河以 在电气上实现低 压侧与高压侧的完全隔离。 2 .不存在二次短路、开路的危险。 不存在因磁饱和而导致大电流时检测灵敏度的下降。 抗电磁千扰能力强。 北方交通大学硕 j : 学位论文第一章 5 .频响特性好，工作带宽高， 有利于检测电网谐波及浪涌电压。 6 .过压时不存在危险，抗高压，抗冲击能力强。 7 . 能响应麟态的波前变化。 瞬态波前光纤检测系统是原有的光纤电压传感器的进一步发展。 瞬间的大电流往往包含丰富的高频信号，因此正确的捕获，传递和分 析这些信号，并保持信号的真实，是瞬态波前光纤检测系统需要解决 的重r鉴问题。 1 . 2 光纤电压传感器的最新进展 对于光纤电压传感器的研究始于 2 0 世纪7 0 年代， 在多年的发展 中， 人们提出了关于光纤电压传感器的多种模型及理论， 其中以 泡克尔 斯 ( p o c k e l s ) 效应为基础得体调制型光纤电压传感器及其理论较为成 熟。从目 前的情况看，各国的研究及实验室产品均集中于体制型光纤 电压传感器。下面将简述国内外在这方面的最新进展。 1 . 2 . 1 用于s f 6 气体绝缘高压开关的光纤电压传感器 i 1 这种传感器属于功能型传感器， 传感器的原理如图 ( 1 .2 . 1 ) : 单模保偏光纤 图1 .2 . 1 传感装置 北方交通大学硕士学位论文第一章 1 7 0 k v高压直接加到圆柱形石英晶体上， 石英晶体因压电效应产 生伸缩，引起缠绕在石英晶体表面的椭圆双模光纤中两个模式间的相 位差的变化，这种相位差的变化由另一段双模光纤通过弱相干干涉方 式检测。 石英晶体的长度为 l 0 0 m m。 当交流电压加到晶体的x 轴方向 时，因 逆压电 效应石英晶体沿y 轴方向 产生张力的变化，因而引 起石 1，1、_ 英 晶 体 的 周 长 的 变 化于 一(一 刮 d e x 其 中 ， e x 是 电 场 沿x轴方向的电场强度， 弹光系数d = 2 .3 1 * 1 0 , z m na 这种传感器与其他传感器相比最大的好处就是它的结构简单。 除 了石英晶体外，传感器是全光纤的结构，在整个系统中不需要准直及 起偏检偏装置，也不需要 1 / 4波片。传感头的检测装置 ( t r a n s d u c e r i n t e r r o g a t i o n ) 采用双模光纤代替传统的马赫一泽德千涉仪， 减少了 传 感头对温度噪声的敏感性，并且也不再需要光纤祸合装置。石英晶体 作为 传感 材 料 表 现出 很 好的 特 性， 其电 阻 值 可 达7 .5 1 0， 。.， 绝缘系数x 轴方向为4 . 5，而且具有相当低的温度系数，表现出很好 的长期稳定性。 通过实验证明，这种传感器的绝缘可靠性通过了 4 0 0 k v和 土 8 2 5 k v雷电 冲击的 验证，动态范围包括四级磁场， 最小的检测范围 是 1 2 v r m s / h z 。 传感器的精确度在切.2 %， 信号随温度变化的系数为 2 . 1 2 x 1 0 -0 c - ，这和石英晶体的电光系数对温度的依赖性是一致 的。温度对传感器的影响可以从信号中分离出来，因此可以采取措施 对温度进行补偿。 1 .2 .2 .频率调制型光纤电压传感器12 1 虽然传统的光纤千涉传感器能够提供很高的灵敏度， 但是因为存 在如下两方面的因素， 使它无法应用到更多的实用领域:1 ) 由于随机 的温度和压力波动导致的臂中不同的相位漂移会降低传感器在低频时 的分辨率。2 )偏振校准和偏振衰减降低了传感器的系统特性。 下面将介绍的这种光纤干涉传感器的输出是频率调制信号，这样 北方交通大学硕 1 : 学位论文第一章 传感器的特性更多的依赖于光信号的频谱特征，而不是幅度特征，因 此，温度漂移和偏振衰减都不会再影响传感器的性能。另外，频率调 制输出装置提供了可能的解码方法，交流电压的幅度可以通过测量干 涉仪输出信号的频谱宽度来获得。在输出信号中包含加载电压的波形 信息， 可以通过一个简单的技术， 依据输出信号重建所加电压的波形。 这种传感器属于功能型传感器。原理如图1 .2 .2 所示: p c2 p zt 图 ( 1 . 2 . 2 )频率输出型光纤电压传感器结构图 基于压电陶瓷管的线性压电效应，将一定长度的标准单模光纤缠 绕在线性压电管上，并将光纤与马赫一泽德干涉仪藕合。当压电晶体 用一个频率为4，幅度为v 。 的交流电信号驱动时，压电元件产生径向 伸缩，从而引起缠绕在压电元件上的光纤折射率改变，使光相位随外 加 电 压 的 变 化 而 变 化 ， 发 生 相 位 的 变 化 为 a 0=九 +0 p s i n ( 。小 其 电 4 ) 0 是 当t - 0 时 小 的 大 小 ， y p 是电压峰值时得到的最大的相位调制，干涉仪输出的信号是 b e s s e l 函数j 、 的f o u r i e r 展开。本质上，干涉仪输出的带宽是由中 ， 决定的， 所以电压幅值可以通过测量输出信号的带宽得到. 传感器的电压灵敏 度 为 v = 全 竺 ， 所 以 可 以 通 过 增 大 。 来 提 高 传 感 器 的 灵 敏 度 ， 具 体 e 来通过改变绕在p t 上的光纤的长度来实现， 在p t 上绕3 7 5 m 的光纤可 以达到的。 是7 4 . g r a d 八。 通过干涉仪的输出信号来重组交流电压信号的波形具体的步骤 是:由数字滤波器记录干涉仪输出的波形，计算机进行相关处理，干 涉仪的输出信号是零的时间 t和两个连续 t ; 的时间间隔七 : 被记录 下 来 ， 每 个 t 对 应 与 a 0 = 兀 ， 其 中 对 应 与 电 压 增 长2 t 】 设为时间轴上的点， 那么a c 的波形就可以通过在两个t 】 间使电压增 北方交通大学硕士学位论文 第一章 长 答的 方 法 来 得 到 。 z 图 1 .2 . 3 示出了信号重组的过程。 ;e节 : +w 佗 ， / 、w / _ 一、 5心匕1 七， 经 图 1 .2 . 3交流电压信号的重组 1 .2 .3 光控灵敏度的光纤电压传感器3 1 传统的功能型传感器都有固定的敏感度， 这种敏感度是由 所用的 电光晶体和相位延时波片决定的。 但是在需要补偿敏感度因温度而产 生的漂移，或是需要改变传感器的敏感度来扩大测量范围的场合，传 统的传感器是不能满足要求的。 针对这种要求c o n a c y t研制了应用 b t o电光晶体， 通过改变光强来控制敏感度的光纤电压传感器。 这种 传感器同时工作两种波长的光，其中的一束光用来调整敏感度。 其敏 感度不仅取决于波片的相位漂移，而且取决于控制信号的波长和光 强， 这种双波长传感器的优点在于可以用低功率的光信号实现远程控 制敏感度， 迅速调整电压测量范围，补偿由于温度变化引起的敏感度 的起伏。这种传感器属于非功能型传感器，原理如图1 .2 - - 4 所示， 两个激光器发出的光的波长分别为9 7 6 n m和6 3 3 n m ， 通过波分 复用器祸合进单模光纤，在光纤输出端，通过一个 校准， 使光通过传感头， 传感头部分包括一片起偏器 s e l f o c ， 一块 自聚焦透镜 b t o晶体， 北方交通大学硕十 学位论文第一章 一片 1 / 4 波片，和一个分析仪。 采用纵向 调制的方式，为了 减小传感 器对温度的敏感性，将一块薄为 1 6 0 p m的云母作为 1 / 4 波片。晶体 的尺寸为5 m m* 5 m m* 2 n u n ， 通光方向为 ( 1 0 0 ) 。 通过传感头的光又硅 光探测器探测。 图 ( 1 . 2 . 4 )光控制光纤电压传感器 系统中，光信号的调制深度可以写为: 阴 =2xa x p+ b x p 2 cx 召+ dx 几 其中 a = b= 。】一 n(2z x ar一 x l )x j， ()r x n ; x r4, x u o)a , 772 一 n2rx o n , x l )x ji()rx n 2 x r4, x u a)2 12 _.2 a x a n , x l l : = ” x l 一 “ 0 5 气一 x -州一 ) xj o (a x n; x r4, x u o ) _，2 a x a n 2 对 、二 u 二 n ， x 气 一 c o s k 一 x z 一一 ， “ 。 x up 入 2 x n 其中， p , , p : 分别 是a , , , 兄 : 的 光强， n n , 分别是a l , 兄 2 的 折 射率， 77 , 1 7分 别 是 光 探 测 器 对的a 1 a : 探测 率 ，y是电 光系 数， l 是波片的厚度，u 。 是加在晶体上的电压 加权函数，改变其中一个激光器的光强 调制深度m 是光强p， p , 的 就可以改变传感器的调制度 ( 即传感器的敏感度) ，恰当的选择不同波长的光源强度和波片的角 北方交通 人学硕士学位论文第一章 度，可以使传感器的灵敏度增加或者减小。 例如，若选择p ， 作为控制 信号， 那么当控制信号 p ， 的光强为零时，传感器的灵敏度进取决于 波长为 入 : 的光源的光强。当 p , 增加时，整个信号的调制深度减弱， 直到变为零。 当p , 继续增加， 调制深度也将增加， 渐渐接近a / 以以 a , 为波长的传感器的灵敏度) 。由此可以看出这种传感器可以通过控制 激光器的光强，而大范围改变灵敏度。通过实验证明，当控制光强的 变化范围是0 - 7 u w 时，灵敏度的变化范围是0 . 0 1 %- 0 / v w . 1 .2 .4 以d s p 为信号处理芯片的光纤电 压传感器4 5 这种传感器的传感头基本结构方式如图 1 .2 - - 5 所示: 它是利用线 偏振光在通过外加电场作用的b g o电光晶体时， 会产生线性双折射。 双折射引起的相位差与外加电压成正比， 探测器探测到的光强可表示 i , ( 1 +6 了 n必 ) 厂v 为:i= 十 s in ，其 电必 = 亩 整个传感器系统的原理如图 ( l . 式中v 为电 光晶 体的半波电压。 把光传输到由电光晶体元件构成的光学传感头， 2 . 6 )所示，用光纤 以敏感被测电压的变 化，用光纤把这种受被测电压调制的光送到光电检测器，此时，光信 号转变为电信号， 经信息处理单元进行信号检测和数据处理后， 得到 所要检测的电压，将结果送到输出单元进行现示。 a ,a 114 a p i 少 资 i f z rm因 翻拨 器 山 石 体检f n 探州 器 盆a x 向 浏制 图1 .2 .5 传感头的 基本结构 北方交大研究的这种光纤传感器最主要的优点是信息处理单元 由d s p 应用系统构成， 因为d s p 芯片强大的信号处理功能和较高的运 算速度，使得系统不仅能实现模数转换，数据处理，瞬时值输出及有 效值输出显示等功能， 而且还能实现高压信号的谐波分析， 可以实现 和计算机的连接， 便于远程的监测和控制。这种传感器已经达到实用 北方交通 大学硕 卜学位论文第一章 要求， 有效值的测量范围是2 4 0 0 k v ， 由硬件电路和软件结构决定的光 纤电压传感器的灵敏度为 0 . 6 % 。有效值输出误差为 0 . 1 % 瞬时值输 出相位延时不大于1 0。 图 1 . 2 . 6光纤电 压传感册系统结构 1 .2 .5 无源光纤脉冲电 压电 场传感器6 华中理工大学研究了利用电光晶体的的一次电光效应测量脉冲电 压和电场的方法，图 1 .2 . 7 和图 1 .2 . 8 分别是电压传感器和电场传感器 的结构示意图。 接h v引线 起偏器检偏器 - 7 1 / 4一入 波片晶体 自聚焦透镜 光纤 图 1 .2 . 7光纤电压传感器传感头结构示意图 天线 起偏器 刀 1 / 4 检偏器 波片晶体 自聚焦透镜 光纤 北方交通 大学硕士学位 论文第一章 图 1 . 2 . 8 光纤电场传感器传感头结构示意图 传感头部分包括起偏器、 检偏器、电光晶体、 1 / 4 波片和自 聚焦透 镜， 它们封装在一个绝缘玻璃盒中。 根据传感头的 这种结构和光学原理 分析，可得出输出光强i o 与晶 体上所加的电 压v 具有下列近似关系 i . i , v i ,= 一 t i +) 2 v二 ._ ，.， _ _ ，、， ， _ ， . . ， _ _入. d， 二、 .、 .、 二二 式甲 1 , 为人射尤y =3 1 w - v = _ 二 = = , t/ j a( h 代表天线的长度。 若天线的等效电容为c a ，晶体的等效电容为c x , 则加在晶体上的电压 为 v c , v , 二 二一， c , + c , 代入式( 1 ) 可得到: i =于(竺2 u c .上 e , ) - v( c 。 + c x ) 2 ( i + a e , ) 1 .2 .6 光纤电压互感器暂态信号处理7 1 另外， 华中理工大学对光纤电压互感器暂态信号处理的原理进行 了研究，展示了动模实验结果。 暂态信号处理原理为:低通滤波器从 混合信号中分离出光功率信号， 差动放大器检出暂态信号。除法器实 现交流信号除以直流光功率信号的运算，以消除光功率波动的影响。 信号经放大后， 送入隔离放大器输出。隔离放大器将输入信号与微机 继电保护电 路在电 路上隔离，以 提高继电保护的可靠性。图 1 .2 . 9为 暂态信号处理电路原理图. 动模试验动模试验旨在检验o v t与o c t系统能否正确响应电力 系统各种故障， 从而作出正确的继电 保护动作。 本试验用o v t 与o c t 各三台，由三台升压器分别将a ,b和c三相8 0 0 v的模拟电网电压升 至( 1 1 0 / 3 ) k v并作用到三台o v t 上。 分别作三相短路、 相间短路和单 北方交通大学硕 卜 学位论文 第一章 相对地短路等故障试验。图1 . 2 . 1 0 - - 1 .2 . 1 2 分别为a b c三相短路，b c 两相短路，和 b相接地三种故障状态下实测的 o v t响应波形。由图 可知，在发生短路故障时，短路相电压减小，经过一个短时的过渡之 后，短路电压趋于稳定，而非短路相电压不变。上述短路波形完全符 合物理概念。继电保护系统在上述各种故障情况下能够正确动作，说 明 o v t具有良 好的暂态响应特性，能够满足继电保护对信号测量精 度和传输速度的影响。 光纤 图1 2 ， 9 为暂态信号处理电路原理图 光纤电压传感器经过二十多年的发展，已在理论上及技术上取得了 很大的进展。这里介绍了近年来国内外光纤电压传感器的最新进展。国 内 北方交通大学研究得以b g o晶 体的p o c k e l s 效应为基础， 以d s p 为信 息处理芯片的非功能性光纤电压传感器，不仅可以实现有效值，瞬时值 的实时输出，而且可以实现谐波分析。华中理工大学研究了无源光纤脉 冲电压电场传感器，并且对光纤电压互感器暂态信号处理的原理进行了 设计并进行了实验测试， 证明已 达到实用要求。国外研制的以b t o作为 电光晶体的光纤传感器，通过让两个波长的光同时工作，实现了灵敏度 的光可控性。另外一种以p z t陶瓷管的压电效应为基础的功能性光纤电 压传感器，以干涉仪的频率输出作为有用信号，可以实现实时的信号重 组。 可用于s f 。 绝缘高压开关的光纤电 压传感器采用全光纤结构， 结构简 单，有较高的可靠性。 基于光纤传感器相对于传统的互感器的强大优势， 我们相信光纤电压传感器必将有更广阔的发展前景。 室 。 胜i 哪 几 71a.r. 图1 .2 . 1 0 a b c 三相短路时ovt响应波形 北方交通人学硕 上 学位论文第一章 图 1 . 2 . 1 1 b c两相短路时ovt响应波形 图 1 . 2 . 1 2 b相接地时ovt响应波形 1 . 3 光纤电压传感器的分类 光纤电压传感按传感机理可分为功能型与非功能型，功能型光纤 电压传感中，光纤本身既作为光的传输媒质，又作为光调制的敏感元 件。非功能型光纤电压传感器中，光纤只是作为光的传输媒介，作为 电压的敏感元件是由其他晶体完成的。 1 . 3 . 1 功能型光纤电压传感器 功能型光纤电压传感器主要是应用线形压电元件或电致伸缩元件 做相位调制器，相位调制器工作原理为:外加电压作用使压电元件或 电致伸缩元件产生径向 伸缩，从而引起缠绕在压电元件或电致伸缩元 件上的光纤折射率的改变，使光相位随外加电压的变化而变化，通过 检测光的相位变化就可以得出被测电压的大小。 相位调制一般采用干涉测量的方法来检测光相位变化，实现功能 型光纤电压传感器的干涉测量的仪器主要有:马赫一 泽德千涉仪及模 北方交通 大学硕十学位论文第一章 一 模干涉仪。 1 ， 马赫一泽德干涉仪( ma c h - c e h n d e r i n t e r f e r o me t e r ) 马赫一泽德干涉仪的结构如图 ( 1 . 3 . 1 )所示。其原理为:激光器 输出的光经马赫一泽德干涉仪分成两束光，分别沿信号臂和参考臂传 输，在信号臂的光由相位调制器调制后，其相位发生变化，在输出端 两信号产生干涉，通过检测干涉光强的变化，就可以得到被测信号的 l d : 激光器v 被测电 压 p d 1 ,p d 2 :光探测器 图( 1 .3 . 1 )光纤玛赫一泽德干涉仪 2 . 模一模干涉仪 ( mo d e -mo d e i n t e r f e r o me t e r ) 光纤模一模干涉仪是利用单模保偏光纤的两正交偏振模 ( t e x t e y ) 之间的千涉来检测相位的，其原理如图 ( 1 .3 .2 ) 如果把保偏光 纤缠绕在压电相位调制器上，外电场作用使压电元件产生伸缩，就会 引起光纤中两正交偏振模之间的相位差的变化，而所求相位差与电场 的存在成线性关系， 1 . 3 .2 非功能型光纤电压传感器 非功能型光纤电压传感器是以电光晶体的线性电光效应来感测电 压的，按调制方式分偏振态调制型和相位调制型两类，按调制器件分 为体调制型和面调制型。 1 .体调制型传感器 ( b u l k o p t i c a l v o l t a g e s e n s o r ) 北方交通人学硕士学位论文第一章 体调制型传感器的基本结构如图 ( 1 . 3 . 3 )所示它是利用线偏振光 在通过外电场作用的电光晶体时，产生线性双折射，双折射引起的相 位差与外电压成正比来测量的。探测器探测到的光强由马吕斯定律得 出: 1 = 1 p ( 1 + s i n )其中，中 电压。 lp = n v n n，式中v二 为电 光晶体的半波 传感元件 pzti l d : 激光器l p : 线偏振器f g : 信号发生器 mo : 准直透镜 p b s : 偏振分光仪， p d : 光探测器h v a : 高压放大器 图1 . 3 . 2光纤模一模干涉仪 体调制型传感器由许多分立的光学元件组成，光学元件的对 准，调整非常复杂。随着集成光学及波导技术的发展，还出现了了集 成的面调制型光纤电压传感器。 偏 振器电 光晶 体 检偏 透镜 光纤电极 1 1 4 波片 光源探测器 图1 . 3 . 3体调制型光纤电压传感器 北方交通大学硕_ l -位论文 第一章 1 .4 体调制型光纤电压传感器的研究现状及主要问题 体调制型光纤电压传感器经过二十几年的发展，已在理论及技术 方面取得了很大的进展，到目前为止，体调制型光纤电压传感器的实 验室静态测量的精度最好为0 .2 % ， 考虑到温度对传感器的影响， 未 采取温度补偿措施的 传感器的 稳定 性为1 % 0 u ， 采取 温度补偿措施的 光纤电压传感器有代表性的研究水平为: 韩国k . s .l e e 研制的以b g o 晶体为传感元件的 传感器， 温度稳定 性在一 2 -6 5 c范围内为 土 0 .7 5 % e 12 3， 日 本的t .m it s u i 研 制的以b s o晶 体为 传 感元 件的 传 感 器 在 - 1 0 -+ 8 5 c范围内 为士 0 .2 % e l 牡 总的看来，光纤电压传感器存在的主要问题为: 1 .传感器的温度稳定性问题，由于传感材料及环境因素的影响， 使得传感器的稳定性不高，虽然不少研究者提出了各种各样的解决方 案，但并未根本解决问题。 2 .传感器的实用化进程缓慢，虽然不少研究者提出了各式各样 的光纤电压传感器，但多数处于实验室研制阶段，走在最前面的日 本 和美国，也只是处于现场实验测试阶段，远远落后于光纤电流传感器 的实用化程度 1 . 5 光纤电压传感器的发展趋向 随着光纤通信的发展， 光调制及光复用技术也开始用于光纤传感 领域，光纤传感器的发展，将由单信号，单功能，单通道向多信号， 多功能， 多通道发展。由于分立元件插入损耗大， 各器件的参数分散， 对准难度大，使得光纤电压传感器的研究逐渐转移到以集成光学为基 础的面调制型方面。晶体的电光效应，磁光效应，声光效应不仅应用 于传感器，而且被广泛应用于光纤通信的外调制器。根据文献1 8 1称， 妮酸铿晶体己经被制作成晶体光纤，调制电压降到1 -5 v ，己经接近 直接强度调制的电压标准， 而且插入损耗小， 调制频率高。 可以 预见， 用晶体光纤制作的外调制器，将被广泛应用与下一代的相干光通信 中。 北方交通大学硕 i 学位论文 第一章 1 . 6 本文的工作 本文的主要工作可以概括如下: 1 . 对 b g o晶体的 p o c k e l s 效应做了分析 2 . 分析了光源，波片，偏振片等器件性能对测量误差的影响。 3研制了以p o c k e l s 效应为基础的电光效应实验系统 。已经应用 于理学院2 0 0 0 即大本光科专业的试验教学，取得了很好的教学效果， 据我们目前了解的情况，我们所研制的这套实验系统在国内尚属首 例 。 4 ， 制作了3 套供电网瞬态波前光纤检测系统，其传感头的半波电 压为 2 0 k v ， 可以响应瞬态的电 压冲击，最高耐压为 2 2 k v 。对影响传 感头的噪声因素进行了分析，提出了相应的改进措施。 5 . 设计了光发射信号和检测电路， 发射信号为l o m载波信号， 监 测电路实现了对调制信号的放大，滤波，检波等工作，最大可处理的 调制信号为1 0 0 k h z ， 分析了电路的噪声特性， 提出了改进措施。 6在以上基础上设计了瞬态波前光纤检测系统，并对其线性测量 范围和实时性进行了测试。 7 . 在华北电力大学高压试验室对系统的稳态响应和瞬态冲击响 应进行了 现场测试。 得到了 很好的线性结果和小于t o 的相位差。 第 几 章 电光效应实验系统的设计第二章 第二章b g o晶体的电光效应实验系统的设计 电 光效应实验系统以b g o晶体的一次电 光效应( p o c k e l s 效应) 为原理进行设计的，其光路部分主要包括，激光器，起偏器，1 / 4 波片， b g o晶体， 检偏器， 和光电二极管，电路部分包括高压产生装置和光电 二极管接收电路。本章从分析电光效应的定量计算出发， 对整个实验系 统进行了分析和设计。 2 . 1 2 . 1 . 1 b g o晶体的p o c k e l s 效应及 b g o晶体的设计 b g o晶体的p o c k e l s 效应9 1 0 泡克尔斯效应( p o c k e l s ) 为线性电 光效应， 即电 光材料在外加电 场作 用下， 介质的折射率可能会发生改变， 进而可能使晶体的波法线椭球的 主轴方向也发生改变， 甚至使单轴晶体变为双轴晶体， 这一现象称为电 光效应。 外加电场所引起的折射率变化是与外加电场强度e的一次方成 正比的，所以这种效应称为线性电光效应或p o c k e l s 效应。 线性电光效应与晶体的对称性有着密切的关系， 它存在于单轴晶 体或多轴晶体中，有对称中心的晶体或各向同性透明材料中不存在线 性电光效应。用于电光效应的晶体很多，本节以无自然双折射，无旋 光效应及热电效应的b g o晶体为对象，研究电光晶体的传感特性。 未加电 场时晶体在某一方向上的折射率为n . ， 加电场e后折射率 为n ，折射率变化n 与所加电场e的关系为: 么n = n 2 n 一 y f + ， 一 十 式中右边第一项与电 场 e成正比，称为泡克尔斯( p o c k e l s ) 效应。 ( 2 . 1 ) 其中 y 为线性电光系数。通常用外加电场作用下晶体感应折射率椭球方程 t ， ; 的系数变化来描述电光效应。 周 11x, 俱厂 俱厂 十议 严 讯zx+锐 尹 一 “(2.2) 第二章 电光效应实验系统的设计 第二章 式中 x , , z是晶体的主轴方向;( 的i 表示折射率的分量( i , ,j = 1 , 2 , 3 ) 。 当无外电场作用时。 式( 2 . 2 ) 退化为标准的折射率椭球方程: 。 2x x 十 舟* 十 舟z 2 = ， ny n2 ( 2 . 3 ) 设由 任意电 场若( e x . e y . e z ) 引 起方程( 2 . 2 ) 的系数变化为 州。 一 : n1 2 ) ， i e ) 一 n 2 ) 9 (0 ) ( 2 . 4 ) 式中 n ; ( e) 和 n ; ( 0 ) 分别表示有电场和无电场作用时晶体在 i i 方向上的折射率。 通常可获得的电光效应都很小，因此式( 2 . 4 ) 可展开为级数形式: 0 阵) n i 口 ijk e k 十 熟 b ijkle , e , + “ ( 2 . 5 ) 夕咨 3艺 -一 把上式中的二阶无穷小及其他高阶无穷小量略去，则得: 屠 y y k e k (i, i - 1 , 2 ,3 ) ( 2 . 6 ) 这就是p o c k e l s 发现的线性电光效应的数学描述。式( 2 . 6 ) 中系 数丫 jj 称为泡克尔斯系数或线性电光系数， 是个三阶电 光张量， 一般含 有2 7 个分量。 但是， 由于各系数的脚标可以互换， 故对于任何e 来说， y k = y ; ,、 均成立。 因此， 实际上【 y 胡只有1 8 个分量。 如用常规的缩 减 脚 标 关 系 ， 及 日 。 = 以(0)+ 侧。 ， 则 式 (2 .2 ， 可 ( n2 )。 (0 ，二 (_1 2 )n 】一( n2 )2(0，二 1112 )z一 !(青 )3(0 ，二 1 )n2 ;一 2 4(a ，二 ( n2 )a 2(n 2 )5(0)二 (_1 2 )n 5)二 一 _1 1i。(0n2-,7g ，二 ( l )xyni ), 一 而在无外加电场作用下，下列各式均成立 第_章 电光效应实验系统的设计第二章 (刹 :(o)=i 创 n- 2 )2 (o)= 创 刹 3(0):12 ,1z ) (o)= n zn (n12 )a(0，一 (n12 )5(0，二 11 1 )b(o)= 0 ( 2 . 8 ) 故式( 2 . 7 ) 可简化为: n1x 二 :i li一 亩 二 n 1 z /z一 1n2z 二 1nz)3一 zo ( 12 )n 二 24 ( n ) 5 1 2 j zs + ze r 1z )i n 6。 一 ， ( 2 . 9 ) 另 一 方 面 ， 如 果 用 矩 阵 的 形 式 来 表 示 线 性 电 光 张 量 y ,., i ， 则 式 ( 2 .6 ) 的 矩阵形式为 仪刀 yy ( 2 . 1 0 ) 犯仁 rr 犯目 了y 电 光 张 量 y . k i 是 描 述 电 光 性 质 的 物 理 量 ， 应 当 是 个 常 量 ， 对 晶 体进行对称操作时应不变。因此，通过对称性分析就能推导出的 【 : 二 小8 个 分 量 中 哪 个 为0 ， 以 及 不 为。 的 分 量 之 间 的 关 系 。 下 面 ， 以 立方晶系中万 3 m 点群为例，讨论电光效应与外加电场电压的关系。 第二章 电光效应实验系统的设计第二章 在立方晶系中，4 3 m 点群是各向均匀同性晶体，有3 个四次对 称轴， 以证明 是晶体的晶轴方向，而且可以互换。通过适当的对称性变换可 ， 此 类 晶 体 只 有 1 1 独赵 内 乞 铭长 量 分 量 ， 即y a i = y s 2 = 7 6 1 ， 故其电 光张量可表示为 ( 2 . 1 1 ) 门.，.lesesesesesesesesesesweeswelljll 4l o0000r 山q oo00ro 山， 0八ucuyo八曰 厂卫一!1.esesesesesesesesesesl 一- 1.j 左 阴 r r. 把( 2 . 1 1 ) 式代入( 2 . 1 0 ) 式中，得: a n / ， 一 2 2 一 ( n ) 3 = “ ( 2 . 1 2 ) 1 1;= 、 、 ， 1 1，= 、 凡 ， /ia ( 2 l = yaie x,d ( s j = ya,e ,a( 1 2 jn , n s n 6一 yce. ( 2 . 1 3 ) 而且 1 1 1 1 n 圣 n 里 把式( 2 . 1 2 ) 一 ( 2 . 1 4 ) 代入( 2 . ( 2 . 8 ) 变为: n , ( 2 . 1 4 ) 9 ) 式， 则此类晶体得感应折射率椭球方程 x 2 + 夕 2 + z 2 n 2 + 2 y , ( y z e . + z x e , , + x y e , ) = 1 ( 2 . 1 5 ) 为了 求出 新主轴( x , y , z ) 下折射率， 把式( 2 . 1 5 ) 写为: x 2 + 少 , 2 + z , 2 n 2 十 2 y ( y z e x + z x e ， 十 x y e . ) = 1 ( 2 . 1 6 ) 又设在新主轴下，晶体折射率为n ，此时，晶体的标准折射率椭球方 程为: 第二章 电光效应实验系统的设计第二章 了 2 + y z + z z n 2 ( 2 . 1 7 ) 式( 2 . 1 6 ) 与式( 2 . 1 7 ) 应当是等价的，由此可得下述方程: 1n 2 y 41 e . y 4. e r y 41 e z告 7 41e . = 1 v12 ( 2 . 1 8 ) 犷 ，!lweeseseseseseseeeeeeweeeweeewej y 4le y y 41e * n z 于是，问题就变成求上方程的本征值，式( 2 . 1 8 ) 中v为晶体新主轴本 征矢量。 ( 1 1 11 ) 光 束 ( ti c ) 图2 . 1 . 1 外加电 场方向 与新主轴方向的关系. v 一外 加电 压x 夕， z 一 新 主 轴 若 外 加电 场沿晶 体的( 1 1 0 ) 方向( 如图2 . 1 - - - 1 所 示) ， 则 外加电 场 若 与 新 主 轴 二 v ， 成 4 5 。 角 ， 并 垂 直 于 : ， 轴 ， 于 是 e x， 一 e y, = 岩 ，; ， 一 。 ( 2 . 1 9 ) 把式( 2 . 1 9 ) 代入( 2 . 1 8 ) 得其特征方程， 式( 2 . 2 0 ) 对n ， 的根，即为 新折射率. 由此可见，在外加电场作用下，各向同性的晶体变成了各向异性 的双折射率晶体。 第二章 电光效应实验系统的设计第二章 ( 2 . 2 0 ) n 一 ( 今- n n 0( 二 ， ” i n l z ) , 7 2 y 引e y引e y 4e 1 万 y 4 1 ee 4l4l =n+ 李n3 y =n一于n y ( 2 . 2 1 ) =n 当光通过长为 1 的这样的晶体时，出射的两光束就产生相移: ， 一 2 1r. ( n . 一 。 : ) ， = 2n n 3y 4 1e 凡一几 ( 2 . 2 2 ) 或用电压来表示 2 7 r、1 _ ， nu o ro = - n 八1 -v二 : : 一 九a u ( 2 . 2 3 ) s y 4 1 兄 ( d l u,. =， - 二 - . 1 - 1 2 n八 1 ) 式中， u r 是使二 光束 产生， 相差所需要的 外 加电 压， 称半 波电 压 u是外加电压e;d 是施加电压方向的晶体厚度。 因b g o晶体的三个主 轴可以互换，因此在外电场沿( 0 1 1 ) , ( 1 0 1 ) 时与沿( 1 1 0 ) 时相似， 因此 可以得出以下结论: 当 施加外电 场方向b g o沿( 1 1 0 ) , ( 1 0 1 ) , ( 0 1 1 ) 方向时，只使光沿