光学电场传感器研究综述.bak_图文

1、新视点 NEW VIEWPOINT光学电场传感器研究综述李长胜北京航空航天大学崔翔华北电力大学摘要分类介绍了现有各种光学电场传感器的传感机理，总结了光学电场传感器研究中存在的主要问题及其解决措施，并提出今后研究方向的一些建议。关键词电场测量光学传感器综述以及研究环境电场对电子仪器运行的影引言电场测量在诸多科学研究和工程技术领域具有重要意义，特别是在电力系统、电磁兼容及微波技术等领域具有广泛应用。例如，在电磁科学研究中，电场测量可作为检验电场理论计算是否准确的有效手段，为许多难以计算的电场环境提供测量数值；在电力工业，电场测量可用于电力系统状态监测、电气设备内外电场分布测量、高电压试验及电晕放电

2、现象研究等；在电磁兼容领域研究中，电场测量可用于检测电气、电子设备的对外电磁辐射与干扰，响；在微波技术中，需要对微波发射与接收设备周围电场进行测量。此外，在核物理以及航空航天科学与技术研究中也需要空间电场传感器。与电压传感器不同，电场传感器通常应能同时测量二维或三维电场矢量的大小和方向，且传感元件对被测电场的扰动应尽量小；对于瞬态或脉冲电场的测量还要求传感器响应频带宽和动态范围大，以使传感信号尽可能不失真。早期人们对电场测量方法的研究主要集中于电学原理与方法，且这方面的研究仍在继续，例如文献年第卷第期报道了一种基于电荷感应原理的小型电子式三维电场传感器，可用于测量空间电场。光学传感与测量技术的

3、迅速发展为电场测量提供了有效手段。光学传感器从原理上基本符合电场测量的上述要求，且在诸多方面性能优于单纯电气电子式传感器，例如绝缘性能好、响应速度快、安全性高、体积小以及重量轻等。自激光、人工光学晶体和光纤问世以来，已对电磁变量的光学传感与测量方法进行了大量的研究与开发，特别是目前国外市场已有光学电流、电压传感器产品出售，如美国公司的系列产品。关于电场的光学测量方法，文献也已作了初步总结。本文综述目前国内外光学电场传感器的研究现状与进展，包括各种传感机理、存在问题及解决对策等，以有助于今后开展相关研究工作。关于光学电流、电压传感器的综述文献已有很多，故本文主要涉及二维、三维电场的光学传感与测量

4、问题。电场的光学传感机理如果用机械方法相对移动传感头或被测对象，则用光学一维电场传感器也可以实现二维、三维电场的测量，如文献报道的笔式电场探头，用碲化镉（）晶体作为传感元件，实验测量了印制电路板平面和手机辐射的二维电场分布，其频率响应的带宽为。与此不同，以下介绍的光学电场传感器大都可在传感器和被测对象均相对静止时，由光传感信号直接解调出二维、三维电场矢量信息。以下根据传感机理分类分别介绍。光电式球形电场传感器这种传感器利用球形探头在被测电场中感应出电荷和电压信号，此传感信号经电路放大后转换为光信号，再由光纤传输到信号接收与处理单元，从而实现电场的绝缘测量。此类传感器结构简单，易于制作，可用于工

5、频及瞬态电场的测量，其主要不足之处是金属探头对被测电场有一定扰动。市场上已有相关产品出售，例如德国公司生产的型低频电场分析仪；瑞士公司研制的型二维电场强度测量仪等。文献综述了目前球形电场测量系统的研究现状。除球形探头以外，最近文献报道了一种平行板结构的探NEW VIEWPOINT新视点 头，结合光纤传输技术，已成功用于三维脉冲电场的测量。基于晶体效应的电场传感器效应即线性电光效应，是指某些晶体的电光相位延迟与外加电场（或电压）强度成正比，是目前光学电场（电压）传感器所依据的主要光学效应。等人利用单块电光晶体研制的二维电场传感器机理如图所示。圆偏振光载波入射到晶体，晶体在横向外加电场作用下产生电

6、光双折射，从而使圆偏振光被调制为椭圆偏振光。外加被测电场的两个正交分量分别为和，传感光束由分光棱镜（图中未画出）分为两束，其中一束通过主透光方向为方向的检偏器，其光强度与电场成线性关系；另一束通过主透光方向与向成。方角的检偏器，其光强度与电场成线性关系。因而，同时检测这两束光强度即可获知被测二维电场。本文实验所用的传感头材料为闪烁锗酸铋，）晶体，其尺寸为××，整个传感头大小为××，已成功用于静态和脉冲电场的光学测量。线偏振椭圆偏振。圆偏振检偏器 偏振光晶体坐标系 图基于锗酸铋晶体（）横向效应的二维（平面）电场传感机理示意图文献报道了一种与上述原理类似，但

7、采用反射结构的二维电场探头，如图所示。传感材料为钽酸锂（）晶体，探头前端镀有全反射膜，入射光在两个反射面产生两束反射光。通过同时检测反射光束和的光强度，并进行简单计算即可获知被测电场的和方向分量。此外，综述文献中介绍了一种利用硅酸铋，）晶体作为传感元件，并采用光相位年第卷第期（新视点 NEW VIEWPOINT （ ） 轴 侧视图正视图图利用钽酸锂晶体的二维（平面）电场探头 调制技术测量晶体表面电荷分布的传感器。文献报道了一种可测量晶体表面电位分布的传感器，其传感头结构如图所示。传感元件利用了晶体，晶体上表面为介质反射镜，下表面为接地透明电极，晶体上方球形电极接高电压，通过晶体反射光束和相机即

8、可记录晶体表面电位分布。表面电荷高压电极介质反射膜透明接地电极：激光束图基于锗酸铋晶体纵向效应的二维表面电位分布传感头集成光波导式电场传感器文献已对各种基于光波导的电场传感器进行了详细介绍，其主要机理是利用置于被测电场中的天线感应出电压，然后利用具有效应的集成光波导传感此电压，即可实现电场的光学传感，。这类传感器大部分采用了单个天线电极，有的采用分段式电极结构，也可不用天线电极。光波导可以是单通道的或制作成干涉仪结构。一般单个波导可传感单方向电场。文献将三个带天线的干涉仪结构的光波导固定在一个三棱柱的三个面上，如图所示，实现了三维电场传感，已用于高频电场测量，其频率响应可达，最小可测电场为。年

9、第卷第期塑料壳图集成光波导式三维电场传感头基于电光效应的电场传感器效应即二次电光效应，是指其电光相位延迟与外加电场（或电压）的平方成正比。与效应相比，一般电光材料的常数都很小，其数量级约在，如变压器油的常数约为×。故基于效应的电场传感器灵敏度通常较低，但其测量范围较大。利用一些液体（如变压器油、硝基苯和碳酸乙烯脂等）的效应，等人早在世纪年代已实现了二维电场传感。图是文献中由相机获得的圆桶型盒横截面上电位分布图，盒中有两个高压电极，图中线条为等位线，所标记的数值为相应电位。负极峰值电压图基于电光效应实现的二维电场传感图象 利用效应也可以实现三维电场测量。文献报道了一种变压器油中三维电场

10、传感方案，其传感器光路结构如图所示。传感光束沿轴传播，盒中的被测电场由交流电场和直流电场合成，出射光传感信号中包含直流、基波和二次谐波信号分量。通过设置检偏器为不同角度，对这些不同频率信号分量进行分离检测与计算，即可获知被测直流、交流电场横向分量，即图中（，）和（，）。然后通过转动光束传播方向再次测量，即可得到方向电场分量。 起偏振 波片盒 检偏器 图 基于电光 效应的三维电场传感光路图 其他光学电场传感方案实例除上述典型传感方案以外，目前文献中还有许多其他方案。例如，一种光机电结合设计的电场传感头如图所示，主要由一个铜支架和硅薄膜组成，它们之间有微型弹簧相连。在电场力作用下，硅薄膜与铜支架产

11、生相对位置移动，用激光位置传感器测得此位移即可获知被测电场大小；此传感器测量工频电场的分辨率约为。此传感器结构简单，易于制作，但其灵敏度较低，且其传感信号易受环境振动的影响。图光机电式电场传感头示意图文献报道了一种利用晶体倍频效应实现电场传感的方案。选用具有效应的单轴晶体作为传感元件，使激光束沿晶体匹配角入射，则出射光的倍频效率将受到晶体外加电场的调制，利用此相关性即可测量电场。但该传感方案的主要问题是温度适用范围太窄，的温度变化即可使传感器无法工作。问题与讨论温度稳定性由于电场传感材料的电光效应本身具有温度相关性，某些材料的固有双折射和旋光性等也与温度有关，此外，传感系统中常用的片的实际相位

12、延NEW VIEWPOINT新视点 迟量受温度影响很大，故上述基于电光效应的电场传感器一般存在温度漂移。温度稳定性优劣是制约电场传感器实用化的关键问题之一，人们已对此作了大量研究工作，文献已对光学电压传感器的温度特性进行了初步讨论，其主要结论也适用于电场传感器。对不同的传感机理，提高温度稳定性的措施也不同。以下是一些已有对策举例。（）文献研究了传感晶体的残余双折射和压力诱导双折射随环境温度的变化及其对传感信号的影响，并将晶体作退火处理，使其双折射的温度相关性极大降低。（）文献中同时采用了测量输出传感信号的两个正交偏振分量并取其平均值的方法，可使传感器输出的温度漂移由±降低到±

13、;。（）在电场传感的同时测量环境温度，也可以实现温度补偿，文献报道了一种同时测量电场和温度的传感方案。（）为降低传感光路中波片对传感器温度性能的影响，文献使检偏器透光方向与波片快轴平行，可有效避免波片的温度影响。此外，有些电场（压）传感器设计中可以不需要波片。电荷漂移和空间电荷的影响当利用电光晶体传感静态或极低频电场时，晶体内将产生电荷漂移和电场分布的改变，并最终导致输出传感信号的不稳定；同理，被测电场内空间自由电荷的存在及其在传感晶体表面的积聚，也会影响晶体内电场分布。文献对这两个问题进行了系统研究，本文将晶体内实际电场表示为（）式中，为晶体的弛豫时间，且（为相对电容率，为晶体的电导率）。文

14、中计算给出了一些电光晶体的弛豫时间，如图所示。其中铌酸锂晶体（约天），与表中其他晶体相比，最适合于静态电场传感。此外，还分析了光电导效应以及空间电荷对晶体内部电场分布的影响。理论分析和实验结果表明，采用纵向电光调制结构可以有效避免晶体内电荷漂移对直流电压测量的影响，等已成功实现了直流电压的稳定测量 。此外，对于被测电场中存在 年第卷第期新视点 NEW VIEWPOINT 们继续进行研究与开发。传统的电气电子方法与光学传感方法有各自的优缺点和应用范围，目前仍在同步发展。就光学传感方法而言，基于单块光学晶体的二维电场传感机理已经实验验证，可用于空间电场测量及电磁兼容等领域；利用变压器油等液体介质的

15、效应也已实现了二维和三维电场传感，这一传感方案主要应用于电力系统测量；光波导式传感器具有较高的灵敏度和动态响应范围，可广泛应用于一般空间电场的测量。总体而言，目前三维电场光学传感方面的研究文献尚少，但很有实用价值，可以开展更深入的研究与开发工作。可以考虑合理利用电光晶体的多重物理效应实现三维电场的光学传感。从光学电场传感器实用化角度来看，尽管已经提出了许多解决温度和电荷漂移等问题的方案，但目前仍有许多实际问题制约其实际应用。例如传感材料的多重物理效应相互影响问题、材料光学性能稳定性与可靠性问题以及传感器整体性能长期稳定性问题等。解决这些问题并逐步促进光学电场传感器实用化，仍然是今后研究与开发工

16、作的一个重要努力方向。图一些电光晶体的电荷弛豫时间 空间电荷的问题，等在电晕场测量中利用电动机快速转动被测电场中的晶体，使晶体表面电荷分布均匀，可以去除晶体表面电荷积聚对电场传感的影响。结束语目前文献提供的光学电场传感方案还有很多，且存在问题及其解决措施也很多，本文只综述了一些典型的传感方案和问题，使读者对此课题概况有初步了解。电场传感器的广阔应用前景仍将吸引人参考文献：，：张星，白强，夏善红，等一种小型三维电场传感器仪器仪表学报，（）：李长胜，崔翔，李宝树，等光纤电压传感器研究综述高电压技术，（）：，：，：，（）：，（）：张卫东，崔翔，宋建永球形瞬态电场探头变换特性的实验研究华北电力大学学报

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