光纤电压传感器

1、光纤电压传感器Optical fibre voltage sensor光纤传感技术及应用目录引言分类发展前景应用1引言2原理及优点光纤电压传感器是利用光纤完成信号的传输，利用晶体的特定物理效应来敏感电压。光纤电压传感器具有很多优点，易满足小型化、智能化、多功能的要求。安全可靠防燃远距离观测防爆系统遥测及监控抗电磁干扰测量精度高耐腐蚀耐高压3分类非功能型 按传感机理可分为功能型和非功能型两类。 功能型光纤电压传感器中光纤不只是作为光的传输介质，本身还作为进行光调制的敏感元件。非功能型光纤电压传感器光纤只作为光的传输介质，光调制由其他晶体完成。引言功能型光纤电压传感器主要是应用线性压电元件或电致伸

2、缩元件作为相位调制器。相位调制器的工作原理为：外加电压作用使压电元件上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的折射率改变，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-泽德干涉型传感器和光纤模-模干涉型传感器。4原理功能型5 马赫-泽德干涉型传感器功能型 原理：激光器输出的光经马赫-泽德干涉型传感器分成两束光，分别沿信号臂和参考臂传输，在信号臂传输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

3、化，就可以得到被测信号的大小。6缺点及不足缺点不足功能型由于该传感器利用两个臂中传输的光信号的干涉来获取被测信号，因此受环境的干扰会造成信号臂与参考臂不同步而引起传感器的消偏。这对干涉型传感器是非常不利的。压电相位调制器在低频时存在着噪声，这限制了传感器在低频时的分辨率。如果利用电致伸缩元件代替压电元件，把高频信号与低频被测电压信号同时加到电致伸缩元件上，由混频效应，把低频信号调制到高频区，可以显著的降低噪声。7 光纤模-模干涉型传感器功能型 原理：利用单模保偏光纤的两正交偏振模（TEx ，TEy）之间的干涉来检测相位的，如图2所示，吧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

4、缩，就会引起光纤中两正交偏振模之间的相位差的变化，所求相位差与电场的大小成线性关系。8补偿措施和优点优点补偿措施功能型制造简单、价格低、适用范围广。利用压电相位调制器不仅用于电压测量，还可以用于光纤陀螺的相位调制。因为环境干扰会引起变化，引起输出电压漂移，因此需要采取补偿措施来消除变化引起的干扰。可以通过反馈电路，把反馈的误差电压Vs经HVA放大产生一定的电压，该电压使压电陶瓷PZT2产生负相移A，其与相抵消，这样可动态的消除环境对输出的干扰。原理非功能型 线性电光效应也叫作普克尔效应。当没有反演中心的时候晶体受到直流电场或者低频电场作用时，其折射率发生于外加电场成线性关系的变化。当然，这里所

5、说的低频电场是与光频相比较而言的。 线性光电效应是一种特殊的二阶非线性光学效应。在这种情况下，作用于介质的两个电场，一个是光电厂，另一个是低频电场或直流电场，在这两个电场的作用下产生了二阶非线性极化。 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。9泡克尔斯型光纤电压传感器非功能型 原理：以光电晶体泡克尔斯效应为基础的偏振调制型传感器，工作原理为：在光纤中传输的光经偏振器成为线偏振光，线偏振光通过电光晶体时，外加电场的作用使晶体发生泡克尔斯效应，使线偏振光的空间方向偏转，从而通过检偏器测出光强的变化，就可以算出被测电压的大小。10横向纵向优缺点及对比非功能性ab采用纵向调制的光

6、纤电压传感器，优点是半波电压只与晶体的电光性能有关，而与晶体尺寸无关，可以通过增加晶体的长度来增加相互作用长度，这样增加了电光效应。但纵向调制下，须在晶体两端面上蒸涂透明电极，不仅增加了工艺的复杂性和生产成本，还增加了光学损耗，降低了灵敏度；另外，采用这种方式，不能或很难采用电容分压结构，其线性动态范围低，不适合用于电压较高的场合，一般采用横向调制方式。采用横向调制方式光纤电压传感器，测量范围为10V-40KV，测量精度0.5%-1%左右。用于泡克尔斯型传感器的材料由BSO（Bi12SiO20）晶体、BGO（Bi4Ge3O12）晶体等。BSO晶体具有旋光性，传感器的温度特性受温度依赖旋光功率的

7、制约，使得传感器的温度特性与d有关，这为传感器研制和调整带来了困难。BGO晶体为立方晶体，既没有自然双折射，也没有旋光性，因此，利用BGO晶体做敏感材料，其温度稳定性好，这就为传感器的设计带来了方便。以BGO晶体为敏感材料的光纤电压传感器精度已达到1%水平。横向调制纵向调制11集成光学马赫-泽德干涉仪非功能型 原理：集成光学电压传感器虽然也是以泡克尔斯效应为基础，但它是利用平面光无源调制器件来进行光的调制。传统的集成光学电压传感器结构如上图所示。工作原理为：当电压加在该传感器上时，加在马赫-泽德干涉仪两臂上的电场方向相反，当光通过波导时，每臂上均发生泡克尔斯效应，产生大小相等方向相反的相移，因

8、此，可通过相移差来推知电压的大小。但电极间隙小、不能承受高电压是它的缺点。12平行板电极结构非功能型 原理：马赫-泽德光纤干涉仪集成光学传感器，在高电压下需电容分压器，难于设计制作。S.A.Kingsley研制出平行板电极光纤电压传感器，传感器采用平行板电极结构，电极间空隙较大，能承受高电压，无需电容分压。其核心是在马赫-泽德干涉仪的一臂上创建逆极化区，把Ti层扩散到作用区可实现逆极化区的创立。然后，利用质子交换技术使马赫-泽德干涉仪一臂的波导通道校直在逆极化通道区上面。这样，Ti扩散波导区的电光系数与质子交换波导区的电光系数相反，当电压加在传感器上时，传输光在两通道中产生相等但方向相反的相移

9、，其净相移为每一波导中产生的相移的两倍，在Y分支两输出光会和，相位调制被转换为强度调制光。13三相测量系统1986年，在某电场安装了光纤电流传感器之后，又展开了针对单相计费测量系统的光纤电压传感器的研制工作。故障检测日本Eiya Aikawa利用光纤传感器开发研制的光零序电流、电压传感器代替传统配电线路中的电压互感器(PT)、电流互感器(CT)、零序变流器(ZCT)、接地电压互感器(GPT)来进行配电线路中故障定位。电力配电系统的自动控制NASA喷气推动研究室Allan设计了用于电力配备系统的自动控制的光纤电压POCKELS型电压传感器。瞬态电压测量日本T.Mitsui针对GIS系统提出利用POCKELS体光纤电压传感器来测量瞬态电压。气体绝缘开关设备（GIS）的电压测量日本Sumitomo公司提 出把研究的光纤电压传感器与光纤磁场传感器封装到