（电路与系统专业论文）基于光纤电压传感方式的虚拟测量系统设计.pdf

中国科学技术大学硕士研究生毕业论文 摘要 光纤传感技术是近年来在国际国内迅速发展起来的新兴传感技术。光纤传感 器的抗电磁干扰、灵敏度高、应用范围广以及便于复用等优点，使得它们越来越 受到各国专家、学者的广泛重视。 电压是电力系统的基本物理量，电压传感器是电力系统的重要测量设备。光 纤电压传感器是利用光电子技术和电光调制原理来实现电压测量的。其使用光作 为敏感信息载体，用光纤来传递敏感信息，光信号经过光电转换之后用电子线路 和计算机来处理。 基于p o c k e l s 电光效应的光纤电压传感器，利用电光晶体在外加电场作用下 其折射率发生变化，使通过其中的偏振光产生人工双折射，沿感生主轴方向分解 的两光束由于折射率不同，导致在晶体内传播的速度不同，从而形成相位差，两 光束的相位差通过光学元件的变换，可转化为光强变化，从而实现对外施电场电 压的测量。 虚拟仪器是基于计算机的仪器，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实 现各种仪器功能。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。 l a b v i e w 是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室 所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 本文的主要内容包括：第一章简要介绍光纤电压传感器的研究意义与现状； 第二章从理论上分析了光纤电压传感器的原理，包括光的偏振、双折射、电光效 应，以及对响应的线性化近似；第三章对光纤、光源、电光晶体、接收电路、处 理电路等部分进行分析，采用合适器件、设计电路，并给出光纤电压测量系统总 体设计；第四章介绍虚拟仪器技术，并使用l a b v i e w 软件，编写程序对测量结果 进行显示、去噪、求峰峰值、均值化处理，分析噪声及误差，并采用最小二乘法 进行线性拟合，误差在允许范围内；第五章对本文工作的总结并提出进一步的研 究方向。 关键字：光纤电压测量、电光效应、p o c k e l s 晶体、虚拟仪器技术、l a b v l e w 中国科学技术大学硕士珂f 究生毕业论文 a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yi sn e w l yd e v e l o p e ds e n s i n gt e c h n o l o g yi n d e c e n t y e a r s ，i ti sw i d l yp a i da t t e n t i o nt ob ye x p e r t sa n dr e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l d ， b e c a u s ei t se x c e l l e n c e r e s i s te l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c e 、h i g hs e n s i t i v i t y 、w i d e l y a p p l ya r e a sa n de a s yc o n n e c t i o n ，a n ds oo n v o l t a g ei sb a s i cp h 3 7 s i c sn u m b e ri ne l e t r i cs y s t e m ，v o l t a g es e n s o ri sa ni m p o r t a n t m e a s u r e m e n te q u i p m e n t o p t i c a lf i b e rv o l t a g es e s o ri su s e dp h o t o e l e c t r i c i t yt e c h n i q u e a n de l e c t r i c o p t i ce f f e c tt h e o r yt or e a l i z ev o l t a g em e a s u r e m e n t i tu s eo p t i c a ls i g n a la s s e n s i t i v ei n f o r m a t i o nc a r r i e r , u s eo p t i c a lf i b e rt ot r a n f e rs e n s i t i v ei n f o r m a t i o n ，t h e n u s ep h o t o e l e c t r i c i t yc o n v e r s i o na n dd a t aa c q u i s i t i o n ，a n a l y s ea n dp r o c e s sb yc o m p u t e r i n t h ee n d b a s e do np o c k e l se f f e c to p t i c a lf i b e rv o l t a g es e n s o r , c h a n g er e f r a c t i v ei n d e xo f e l e c t r i c o p t i cc r y s t a lu n d e rv o l t a g ef i e l d ，l i n e a rp o l a r i z el i g h tc h a n g et ot w op o l a r i z e l i g h t sb yd o u b l e r e f r a c t i o n ，t h et w ol i g h t sh a v ed i f f e r e n tr e f r a c t i v ei n d e xa n dr a t e ，s o t h e yh a v ep h a s ed i f f e r e n c e w eu s eo p t i c a le q u i p m e n tc h a n g ep h a s ed i f f e r e n c et ol i g h t i n t e n s i t y , m e a s u r et h el i g h ti n t e n s i t yt ok n o wt h ed e t e c tv o l t a g e v i r t u a li n s t m m e n t i o nr e a l i z ea l lk i n d so f i n s t m m e n tf u n c t i o n sb a s e do i lc o m p u t e r h a r d w a r ea n do p e r a t i n gs y t e m t h ec o n b i n a t i o no fc o m p u t e ra n di n s t r u m e n ti sa n i m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l do fi n s t r u m e n td e v e l o p m e n t l a b v i e wi sag r a p h i cp r o g r a m l a n g u a g e i ti sw i d e l ya c c e p t e di ni n d u s t r i a lf i e l d ，a c a d e m i cf i e l da n dr e s e a r c h l a b o r a t o r i e s ，r e g a r d e da sa s t a n d a r do fd a t aa c q u i s i t i o na n di n s t r u m e n tc o n t r ls o f t w a r e t h em a i n j o bi nt h i sp a p e ri n c l u d e ：i n t r o d u c er e s e a r c hm e a n i n ga n d a c t u a l i t yo f o p t i c a lf i b e rv o l t a g es e s o ri nc h a p t e ro n e ；a n a l y s et h et h e o r yo fo p t i c a lf i b e rv o l t a g e s e s o ri nc h a p t e rt w o ；m a k eu pt h em e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n a l y s ea l lp a r t so f t h e s y s t e m ，c h o o s et h eq u i p m e n t sa n dd e s i g nt h ec i r c u i ti nc h a p t et h r e e ；a d o p tv i s u a l i n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n dl a b v i e ws o f t w a r e ，a n a l y s ed a t ac o l l e c t i o n ，i m p r o v es t a b i l i z a t i o na n d p r e c i s i o no f t h es y s t e mi nc h a p t e rf o u r ；f i n a l l y , m a k ec o n c l u s i o na n dr e s e a r c hf u t u r e k e yw o r d s ：f i b e re l e c t r i cv o l t a g em e a s u r e m e n t ，e l e c t r i c o p t i ce f f e c t ，p o c k e l sc r y s t a ，v i s u a l i n s t r u m e n tt e c h n i q u e ，l a b v i e ws o f t w a r e 2 中国科学技术大学硕l 研究生毕业论文 第一章序论 1 1 课题背景及意义 电压是电力系统的基本物理量，电压传感器是电力系统的重要测量设备。在 电气设备等很多方面，电压测量同样是必不可少的，例如：变电站电压监测；高 压架空线下的电场分布测量；电气密封设备内放电现象分析：高压输电线附近离 子流场的研究等，均需要实现电场精密、灵敏及安全的测量。 近年来，我国经济发展迅速，对电力的需求也日益增大，随着电力工业的发 展，电力传输系统容量不断增加，运行等级也越来越高，目前我国电网的最高电 压等级己达5 0 0 k v 。为保证超高压、远距离、重负荷输电，安全可靠的运行，必 须提高系统的稳定性，因此对传感感器的测量精度、动态范围、饱和性等特性的 要求标准更高；对继电保护系统的可靠性、速动性与灵敏性也提出了更为苛刻的 要求。 电压传感器是电力系统中用于测量、保护和控制的重要设备。无论是生产电 能、变换电能还是传输电能的设备，也无论是低压小功率设备还是高压大功率动 力系统，电力互感器都是不可缺少的一部分，其准确度和可靠性与电力系统的安 全、可靠、经济运行紧密相关。 传统的电压测量是通过应用电磁感应原理构成的电压互感器，将电压分别转 换成0 一i o o v 的电压信号来实现的。电磁式互感器基于电磁感应原理工作，从1 8 3 0 年法拉第发现电磁感应定律，1 8 8 2 年第一台互感器设计出来以后，电磁式互感器 经历了一百多年的发展，从铁心材料、制作工艺的不断改进，电磁式电压互感器 已经发展到相当成熟的阶段。电磁式互感器具有在线性范围内测量准确度高、制 造工艺成熟、试验校验规范、有国家标准可以依据等优势，在很长的时间内适应 了电力系统测量要求。但是电磁式互感器受其传感机理 的限制，某些性能仍然无法令人满意，主要存在的问题 如下： 1 体积大，安装繁琐： 2 因为带有电感线圈和铁磁材料，故频带不宽，线 性范围窄： 3 非绝缘性，可能出现铁磁谐振。仪器本身也是由 v 1 一1 一i 、ll 中国科学技术大学硕：i f 究生毕业论文 导体构成，在强电场的测量中使用起来要充分注意安全； 4 抗强电磁干扰能力弱，整体均为导体的结构使得周围的干扰信号很容易 通过各种途径耦合进测量系统，使得测量结果不准确，系统稳定性降低； 互感器性能的好坏直接影响到电流计量的准确性和控制保护系统动作的正 确性。上述问题说明，传统的电磁式互感器已经难以满足现代电力系统发展的需 要，寻求更理想的新型电压、电流互感器势在必行”1 。 近年来，随着计算机技术的广泛应用，电力系统综合自动化成为不可逆转的 发展趋势。测量、保护和控制系统都大量采用了基于计算机软件功能实现的装置。 电压传感器作为电压数据采集的基本单元，必须适应自动化、智能化的要求，即 高准确性、高可靠性、小型化、智能化，适合无人值班及调动自动化。 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中， 光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信 号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤受外界环境因素影 响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、 频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可 以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。将光 纤传感技术应用于各种参量的测量，不仅可以得到比较精确的结果，而且可以使 测试系统小型化，便于携带，能方便地实现与计算机的接口，便于远程控制。 目前用于电压测量的光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能 型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤 传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作 为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，所以也称为传光型传感器。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调 制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长( 颜色) 调制光 纤传感器。 在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述： e = e oc o s ( c o t + ) ( 1 卜1 ) 式中，e o 为光波的振幅；0 9 为频率；庐为初相角。上式包含五个参数，即强 度露，频率彩，波长2 = 2 x c c o ，相位c o t + 妒和偏振态，被测量在敏感头内与 光发生相互作用，如果作用的结果是改变了光的强度，就叫强度调制光纤传感器， 其它依次类推。因此，就得到了五种调制类型的光纤传感器。 6 中国科学技术大学硕士研究生毕业论文 光纤传感器按被测对象的不同，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、 光纤浓度传感器、光纤电压传感器、光纤流速传感器等。光纤传感器可以探测的 物理量很多，己实现的光纤传感器物理量测量达7 0 余种。然而，无论是探测哪种 物理量，其工作原理无非都是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其 随之变化，然后对己调制的光信号进行检测，从而得到被测量。因此，光调制技 术是光纤传感器的核心技术。 光纤电压传感器是利用光电子技术和电光调制原理来实现电压测量的。其使 用光代替电作为敏感信息载体，用光纤代替金属导线来传递敏感信息，光信号经 过光电变换之后用电子线路和计算机来处理。 基于p o c k e l s 电光效应的光纤电压传感器，利用某些晶体( 如电光晶体) 在外 加电场作用下其折射率发生变化，使通过其中的偏振光产生人工双折射，沿感生 主轴方向分解的两光束由于折射率不同，导致在晶体内传播的速度不同，从而形 成相位差，两光束的相位差通过检偏器等光学元件的变化变换，可转化为光强变 化，从而实现对外施电场电压的测量。 与传统的电磁式电压传感器相比具有以下优点”1 ： 1 体积小，重量轻，运输与安装方便。光纤除了具有体积小、重量轻的特 点外，还可以利用光纤制成不同外形、不同尺寸的各种传感器，应用于航空航天 等特殊空间要求的场合。 。2 无铁芯，消除了铁磁饱和、铁磁谐振等现象： 3 灵敏度高，频带宽，动态范围大。已有理论和实验证明，光纤传感器的 灵敏度等性能指标优于一般传感器。并且可以测量多种物理量，应用| ； 景广泛。 4 抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、本质安全。由于光纤传感器是利用光 波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可 以方便有效的用于强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境中； 5 便于和计算机连接，实现多功能、智能化的要求。光纤传感器方便与现 代通讯、控制等技术结合，实现更强大的功能。 中国科学技术大学硕l q of 究生毕业论文 1 2 国内外研究现况 自本世纪7 0 年代l d 研制成功及光纤光损耗率大幅下降后，光纤传感器技术作 为门新技术迅速发展起来。由于光纤传感技术无法比拟的优点和发展应用前 景，世界各国纷纷开展这方面的研究，建立了各种光纤传感器理论模型，在光纤 传感器的实用化上取得了长足的进步。近年来，美国、法国、日本、瑞士、中国 等都越来越重视光纤传感器的研制，光纤传感器可以探测的物理量也越来越多， 并在军事、科技、工业控制等领域取得日益广泛的应用”1 。 早在八十年代，光纤电压互感器的研究在国外就有了很大的发展。九十年代 初便进入了产品化的研究阶段，各国也纷纷研制出各种形式的光纤电压互感器： 1 1 9 8 2 年日本n k g 、日立公司先后研制了3 0 0 k v 的o c t o v t ；1 9 8 9 年，9 3 k v 的o v t 挂网运行”。 2 1 9 9 5 年，法国g e c a l s t o m 公司推出1 2 3 7 6 5 k v g i s 的光纤电压传感器，它 利用b g o 晶体的p o c k e l s 效应，在2 0 个月的现场试验中表现了良好的稳定性”1 。 3 1 9 9 5 年，加拿大研制的o v t 精度达n o 2 。 4 1 9 9 6 年，瑞士a b b 公司研究中心研制出3 6 2 k v 的o v t ，其中所采用的技术可 以应用于6 9 k v 一7 6 5 k v ，精度o 3 ，环境温度范围一3 0 。c 一- - + 5 0 。c ”3 。 目前，法国6 e 6 与瑞士a b b 公司经过1 0 多年的积累，在光纤电压电场传感器研 制上处于领先地位。 我国在光纤电压电流互感器方面的研究始于8 0 年代。总的来讲，从技术角 度和研制情况来看都比国外落后。 清华大学和中国电力科学研究院，利用国家自然基金共同研制的1 1 0k v 光纤 电流传感器，它们于1 9 9 1 年通过国家鉴定并挂网试运行“1 。 华中理工大学研制的光纤o v t 于1 9 9 4 年在广东新会供电局大泽变电站进行正 式挂网运行。并通过电力部鉴定，对外公布的技术指标：额定电压1 i o k v ，额定 电流1 0 0 3 0 0 a ，精度o 3 。挂网运行至今运行正常，随后华中理工大学又研制了 1i o k v 光纤o v t ，2 2 0 k v 组合式o v t o c t “0 1 。 在理论探讨方面，哈尔滨工业大学对利用法拉第效应应用于高压光纤电流传 感器方面进行了较全面的讨论和研究。福州大学等单位用空心线圈对高压电流进 行检测，再利用红外发射接收方式对高压电流进行测量。 经过十几年的发展，各国研制出的各种光纤电场电压传感器并投入试验运 中周科学技术大学硕1 。研究生毕业论文 行，但是困扰光纤电场电压传感器的长期运行的稳定性、可靠性及外界温度影响 却一直得不到很好的改进。实用化的传感器都要求有良好的稳定性，不因外部条 件的改变而影响测量精度。光纤传感器涉及的元件多，温度的改变往往对传感器 的多个部件产生影响。当温度发生变化时，光源的峰值波长容易发生飘移，光功 率大小也会因此有所改变，最终使接收端的光强产生变化，限制了测量的稳定性 和精确度。另外，电路板布线不合理，也会引入干扰，使测量误差增大。 ! 里型兰垫查查兰堡1 ：型壅生兰些堡竺 1 3 论文章节安排 论文的章节内容安排如下： 本章介绍论文选题意义及国内外研究概况；第2 章介绍光学的基本理论一光 的偏振与电光效应，分给出基于p o c k e l s 效应的光纤电压传感器的原理，并进行 线性化分析：第3 章介绍光纤电压测量系统的各组成器件，分析光纤、电光晶体、 光源和接收机等性能对测量结果的影响，并选择合适的器件，组成测量系统；第 4 章介绍虚拟仪器技术及l a b v i e w 软件，并编写系统软件，控制光的发射及对接 收到的信号进行分析、处理、显示，并给拟合响应直线，并计算误差；第五章总 结了全文工作并给出展望。 中国科学技术大学硕| j 研究生毕业论文 第二章光纤电压传感器原理 2 1 光的折射与偏振 光线在同一媒质内沿直线进行，但从第一媒质射入第二媒质时，在二者的分 介面处就发生了部分反射和部分折射的现象，如图2 1 所示，并且： 、i l “ 、k n 笤 、 图2 1 光的折射 ( 1 ) 入射光线、反射光线、折射光线和分解面上通过入射点的法线，在同 一平面内，这个平面叫做入射面。 ( 2 ) 入射角等于反射角。 ( 3 ) 入射角和折射角i ：之间有下列关系存在： 翌：旦：n 。( 2 卜1 ) s m f 2 v 2 “ 式中v l 和v 2 分别代表在第一和第二媒质中的光速，啊：称为第二媒质相对第 一媒质的相对折射率。 波有纵波、横波之分，振动方向和传播方向相同的波叫纵波，振动方向和传 播方向垂直的波叫横波。光是一种横波。 自然光经由物体加以适当的反射、折射或吸收后，往往只能让其中沿一定方 向的某一部分的振动划分出来，而将其余部分分别予以吸收、反射或折射到别处 去。这种沿一定方向在平面内做直线振动的光叫做面偏振光。通过光线和它振动 方向的平面叫做振动面，通过光线而和振动方向垂直的平面叫做偏振面。振动面 和偏振面相互垂直。总之，具有一定振动方向的光叫做偏振光，在所有可能的振 动方向上都产生振动的光叫做非偏振光。自然光就是非偏振光。用以改变自然光 使成为偏振光的物体叫做起偏振镜，用以检查偏振的振动方向的物体称为检偏振 中国科学技术火学顾j 研究生毕业论文 镜。 天然的电气石晶体是六角形的片状，长对角线的方向称为它的光轴。当光线 射在这种晶体表面上时，光矢量与光轴平行时吸收的很少，光可以较多的通过； 光矢量与光轴垂直时被吸收的较多，光通过的很少，这种特性称为二向色性。在 天然晶体中，电气石晶体具有最强的二向色性。除电气石外，有些有机化合物的 晶体，也有二向色性。目前广泛使用的获得偏振光的器件，是人造偏振片。 如图2 2 所示，偏振片只是起偏器，偏振片只是检偏器，箭头表示偏振片的 透振方向，入射的自然光通过只以后，形成线偏振光。当只与只的透振方向成a 角时，透过只的光强为“： ，= 厶c o s 口( 2 卜2 ) 图2 2 光的偏振 鼍晃 量略 其中，i o 是透过起偏器只的线偏振光的强度。，是透过检偏器昱的光强。上 式所表达的规律叫做马吕斯定律。 中国科学技术大学硕i = , r o f 究生毕业论文 2 2 双折射及电光效应 人们很早就发现，当一束光射到方解石晶体的表面上时会产生两束折射光， 它们沿着略微不同的方向行进，在离开晶体后变成两束光，这种现象称为晶体的 双折射现象。 双折射产生的两条折射光中，一条满足通常的折射定律，这条折射光称为寻 常光线，简称0 光，所谓满足寻常的折射定律，就是：这条折射光线必定在入射 平面内，而且入射角醴与折射角彰满足关系： 黑： ( 2 2 一1 ) s i n q 其中，为常数，是晶体对。光的折射率。 另一条折射光不满足通常的折射定律，这条折射光称为非常光线，简称e 光。 对e 光来说，入射角8 与折射角彰之间的正弦比值不是一个常数，且一般情况下， 这条光线也不在入射面内。 前面浇的双折射现象都是天然晶体所具有的，实验发现，许多各向同性的透 明介质，在某些外加条件的影响下会变成对光的各向异性体。物质在外界条件作 用下所具有的这种非永久的光学各向异性，就叫做人为双折射性。其中，在强电 场作用下，某些物质会出现双折射性，这种现象称为电光效应。泡克尔斯 ( f p o c k e l s ) 发现一些单轴晶体在纵向电场( 与光的传播方向一致) 作用下会 改变其双折射性质，成为双轴晶体，这种现象称为泡克尔斯效应“。 当一束单色平行光投射到端面平行的双折射晶体时，入射光束就会变成初相 位相同，而电位移矢量互相垂直的两束光，由于它们在晶体中的传播速度不同， 出射时有一定的相位差，可用干涉法测量此相位差。但由于双折射光束的偏振方 向不一致，故不能直接产生干涉。为使它们产生干涉，必须使它们的偏振光一致。 我们可用偏振器来改变它们的偏振方向。在光进入晶体之前，使其通过起偏器， 变成偏振光，然后用检偏器把从晶体出来的互相垂直的偏振光变成偏振方向相同 的光。因为，只有偏振方向与检偏器的偏振轴相同的光才能通过检偏器。结果， 这两束光就变成了相干光束，产生干涉，把相位调制光变成振幅调制光，从而把 相位测量变成光的强度调制。 中国科学技术大学砸i - 究生毕业论文 椭圆偏搞光 射光 仲。，“， 图2 3 电光效应原理图 原理图由图2 3 所示“。下面推导这一解调过程，并由所得结果确定起偏器 和检偏器偏振轴间的角度关系。图2 4 表示双折射晶体中两束光的偏振方向与偏 振器、检偏器的偏振轴的相互关系。图中x 和y 表示两线偏振光束的相互垂直的 电矢量振动方向，弓和只分别表示起偏器和检偏器的偏振轴。设日与x 的夹角为 ，而暑与县的夹角为口，入射到晶片的光是经过偏振器暑后的线偏振光，其振 幅以线段o p 来表示，并令o p = e o 。这样，入射光在x 和y 轴方向上的振幅分 量爿。、爿，分别为： 以= e o c o s ( 2 2 - 2 ) 爿。= e os i n # y a y a x x 图2 4 起偏器、检偏器、双折射光的偏振方向关系 中国科学技术大学侦一j = 研究生毕业论文 通过检偏器只时，只有偏振方向与检偏器偏振轴相同的光矢量才可以通过， 所以它们的振幅分量山、a ：分别为： 爿j = e oc o s c o s - a ) ( 2 2 - 3 ) a r = e os i n c s i n ( 妒一口、 通过晶体后产生的相位差p 为”“： 妒= 等( 一h y ) f ( 2 2 - 4 ) l 由上述可见，经检偏器后的两束光频率相同，有一定的相位差，振动方向相 同。因此，它们是相干光束，并产生干涉。干涉强度，为”“： i = ix + i y + 2 0 i x i yc o s a 6 p ( 2 2 - 5 ) 其中，i x 和，是两相干光束的强度： = 爵c o s 2 c o s 2 ( c - a ) ( 2 2 - 6 ) = 霹s i n 2s i n 2 ( c - a ) 若令厶= 霹，则 ，：i o c o s2 痧c 。s 2 ( 一口) + s i n 2 s i n z ( 一口) + 2 s i n c 。s s i n ( 一口) c 。s ( 一口) ( 1 2 s i n 2 竽) ： c 。s c 。s ( 一口) + s i n 矽s i n ( 妒一a ) 2 - - s i n 2 s i n 2 ( 一c r ) s i l l 2 譬) ：i o c 。s z 口一s i n 2 s i n 2 ( 一口) s i n 2 全呈 ( 2 2 - 7 ) 由2 27 式可知，通过偏振光干涉后，相位调制光变成幅度调制光，光强， 不仅与它们的相位有关，而且与起振器的偏振轴、检偏器的偏振轴、光的偏振方 向三者之间的方位有关。 当起偏器与检偏器的偏振轴相互垂直时，a = 万2 ，式2 2 - 7 简化为： ，：厶s i l l 22 矿s i n 2 竽 ( 2 2 8 ) 这表明，在起偏器与检偏器的偏振轴互相垂直的情况下，偏振干涉的强度只 由起偏器的偏振轴和晶体内光矢量的偏振方向之间的夹角与它们之间的相位 决定。因此，如果旋转起偏器，使其偏振轴与晶体内光矢量偏振方向成州4 角度。 则因为s i n 2 # = s i n 万2 = 1 ，而可获得最大的偏振光干涉输出： ，：ls i n 2 鲤 ( 2 2 - 9 ) 中n 1 4 学技术大学顺i ：t 口1 。究生毕业论文 由上述可见，利用偏振光干涉装置可把由双折射引起的相位调制光变成幅度 调制光。适当地调节起偏器、检偏器及入射光的偏振方向之间的相互关系，即让 检偏器与起偏器的偏振轴正交，与晶体的主轴的夹角都是丌4 ，就可获得最大的 偏振光干涉输出。 晶体中的两线偏振光分量的折射率差a n ，称为感生折射率，与电场强度e 成 正比1 ，即： a n 一。，= n 。3 r e ( 2 2 - l o ) 式中，n o 为未加电场时的晶体折射率：e 为电场强度；r 为常数，称为晶体 电光系数。 设电场是均匀的，则e = u i d ( d 为晶体的厚度，上为晶体长度，l = d = l c m ) ， 晶体所引起的两线偏振光间的相位差为： 妒= 了2 s t ( n r h ) 三= 百2 1 r 3 以一2 旯s r d ln 。3 r u - 2 a 7 r 。3 r u ( 2 2 - 1 1 ) 当外加电场使：万时，此时所需的电压称为半波电压u 肋。1 ( 电压一般在几 千伏一几万伏) ，由式2 2 - 1 1 可得 z2 去 2 1 2 ：里( 2 2 - 1 3 ) u 。t 将式2 2 - 1 3 带入2 2 - 9 ，可得偏振光干涉强度与外加电场的关系： ，：ls i n 2 兰生 ( 2 2 1 4 ) z u 。n 从上式可以看出，输出光强，与电场u 之间的关系是非线性的，即系统响应 是非线性的。为了能得到接近线性的系统响应，我们采用光学偏置法来实现。在 晶体和偏振器之间加一个州4 波片，并使波片的快慢轴与晶体的快慢轴一致，则 相当于增d i - n 定的州2 相移，式2 2 - 1 4 变为： ，= “n 2 ( 等+ i l ) = i 1 0 ( 1 “n 删 ( 2 2 1 5 ) 若a 妒 1 ，在一级近似的情况下，可得到线性响应1 ： ，= 扣锄= 扣考 弦2 _ 1 6 ， 中国科学技术大学硕士研究生毕业论文 综上所述，利用p o c k e l s 效应和偏振光干涉原理构成的电场测量系统，可获 得光强受外加电场电压调制的光，输出光强的变化f 比于外加电场，从而测定电 场电压的大小。光通过测量系统的物理描述如下：一束光入射到起偏器，形成线 偏振光：经过1 4 波片后相位延迟万2 ；然后进入电光晶体受到电场调制产生双 折射，形成电位移矢量互相垂直的两束偏振光，它们在晶体中的传播速度不同， 故出射时有一定的相位差；最后通过检偏器，使相位调制变成幅度调制。 中国科学技术大学硕士研究生毕业论文 第三章光纤电压测量系统设计 3 1 光纤与偏振器 光纤的结构十分简单，如图3 1 所示。它由直径很小的分层石英玻璃或塑料 圆柱体构成。最里面的圆柱体称为纤芯，它由某种类型的玻璃或塑料制成。纤芯 外边是一层圆柱形套层，称为包层，它也由玻璃或塑料制成，其折射率n 与纤芯 略有差异。最外边包覆着的圆柱体称为套层，通常由塑料制成。光纤的导光能力 取决于纤芯和包层的性能而光纤的强度则由套层决定。 图3 1 光纤结构 光信号在光纤中传物的基本原理是光的全反射原理。光纤的性能对信号的传 输有极大的影响。光纤电压传感器对光纤的要求主要有： ( 1 ) 与光源的耦合效率要高： ( 2 ) 传输过程的损耗要低： ( 3 ) 相位延迟要小； ( 4 ) 机械强度要高。 实际中广泛采用单模光纤和两种不同类型折射率分布的多模光纤，即阶跃折 射率光纤和渐变折射率光纤。 光源与光纤的耦合效率决定于光纤的数值孔径和横截面的大小。光纤的数值 孔径 卅定义为从空气入射到光纤物入端面时的光锥半角的正弦值。对于此角锥 内的光线一旦进入光纤就能被截面留在纤芯中并在其中传播，而那些以大于该角 锥的角度入射到纤芯中的光线在传播过程中将迅速衰减掉。 n a ：s i n o c = 、n 卜 ； ( 3 卜1 ) 光束在纤芯中传播过程中，伴有能量损耗，即光强( 光功率) 衰减。如果衰减 过大，将难于在输出端检测出来。一般说来，当光沿着光纤传播时，其强度i 将 随传输距离按指数规律衰减，用公式表示为： 中国科学技术大学碗一j 研究生毕业论文 i = i o e ” ( 3 1 2 ) 其中，。为初始光强，a 为光强度衰减系数，为传输距离。 光纤的损耗，主要来自吸收、散射和辐射。吸收包括物质本征吸收、杂质吸 收和原子缺陷吸收。散射包括物质的本征散射和非线性效应散射。现在，随着光 纤制造技术的发展，经过充分的提纯、脱水后的光纤已经可以在很宽的光波段上 实现低损耗的传输，传输距离达到几百公里。光纤的色散主要包括材料色散、模 式色散和波导色散。对实用化的光纤而言，其色散已经做到充分的小。传感器系 统几十米的传光距离所带来的损耗和色散微乎其微，完全可以忽略。 在噪声一定的情况下，提高信号光强的大小可以增加系统信噪比，这就要求 尽量提高光源和光纤、光纤和传感器间的耦合效率。为此，n a 较大、粗芯径的 光纤成为首选。因此，我们选用了芯径6 2 5 t m ，包层外径1 2 5 t m ，n a o 2 7 5 的 多模光纤。 偏振器分为起偏器和检偏器。起偏器把非线性偏振光变成偏振光：检偏器只 允许光矢量沿某一方向振动通过。对偏振器件，要求消光比好，透过率大。根据 原理不同，偏振器主要分为二向色性、反射和双折射三种原理。 二向色性是利用物质对不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数的性质制 成。二向色性与波长有关，具有二向色性的物质透过率低，对光的准直性不好， 消光比差，但价格低廉。 反射型利用布儒斯特原理制成，棱镜中间有z n s 和冰晶石组成的多层高低折 射率交替的多层膜，经过多层膜多次反射和折射后，透射光与反射光都是偏振度 达9 8 的线偏振光，偏振性能良好。入射光成4 5 度角入射，两束出射光互相成 9 0 度分开，而且光矢量偏振方向也互相垂直，使用方便。 方解石在很宽的波段内都有强的双折射。利用它做成的偏振器可获得很好的 线偏振光，消光比可达1 0 ，典型的有n i c o l 和g l a n 棱镜：另一类为偏振分光棱 镜，可分出两束光矢量振动方向互相垂直的线偏振光，典型的有w o l l a s t o n 棱镜。 我们采用方解石构成的偏振器，一个g l a n 棱镜和一个w o l l a s t o n 棱镜。这种 类型的棱镜消光比小，能获得非常理想的线偏振光，透过率高达9 0 ，光损耗 小。此外，它的热膨胀系数小，温度性能良好。 l 4 波片为0 8 2 , u m 云母波片。 中国科学技术火学硕h 叶究生毕业论文 3 2 电光晶体 电光晶体是测量电场电压的核心器件，因此对它的选择现得尤为重要，一般 要求有4 j ： ( 1 ) 电光系数要大，折射率要高，光学均匀性要好： ( 2 ) 介质损耗要小，导热性要好，温度效应越小越好； ( 3 ) 易于加工，制作出大尺寸的晶体： ( 4 ) 不存在旋光性，热光效应、自然双折射等 我们采用b g o 晶体( b i 4 g e 3 0 1 2 ，锗酸铋的缩写) 作为实验晶体，b g o 晶体是 种具有立方结构、无色透明的无机氧化物晶体，它不溶于水，在0 3 - 6 p m 波段 有良好的透过率，无自然双折射和旋光性，具有良好的光学性能。可以用来设计 性能优良的光纤电压传感器【l5 。 根据式2 2 一1 6 圈32b g o 晶体的外观及晶体结构 ，= 扣酬= 扣静 在满足妒 1 的条件下，传感器的输出光强与被测电场电压具有近似线性 关系。 b g o 晶体的折射率n o = 2 0 7 ；r = 1 0 3 x 1 0 。2 m v ；光源波长五= 0 8 2 1 t m ；可 计算出半波电压： u 。= 土2 n 0 3 r = 2 x2 里0 7 3 丝x 1 0 尘3 二x 1 0 - 1 2 = 4 5 k y u z ，2 一。4 ，k p 由此可见，要满足p 1 ，被测电压应远小于u 肋，要使s i n x “x 成立，我 中国科学技术人学坝二l 研究生毕业论文 们把x 的最大值定为厅6 ，即x u 4 5 k v = 石6 ，此时测量电压范围为7 5 k v 。 因此最大测量电压幅值设定为8 k v 。为提高测量测量范围，可以采取措施，对b g 0 晶体进行改进。 将p o c k e l s 实验盒内的单片b g o 晶体换成多片b g o 晶体阳j 隔排放，如图 3 3 。其中单片b g o 晶体厚度d = l m m ，晶体数取 = 8 ，晶体间隔厚度为 d 2 = l o m m ，为非电光效应物质。实验盒内充满了s f 6 气体，晶体的相对介电常 数= 1 6 占0 ，晶体间隔物质相对介电常数s ，= s o 。 b g 0 晶体间隔 电极 光纤 图3 3 多片b g 0 晶体排列 此时电场强度为e ：旦一 n d , + 旦m 一1 ) 4 s ， 相位延迟为a c p = 挈届旭。耐 a 半波电压u 肌 五h 1 ) d 2 五l ”雹+ 鱼( n l 岛 j 2 n ；r n d l ( 3 2 1 ) u ：万一u ( 3 2 - 2 ) 叱 ( 3 2 3 ) 计算得u 。= 6 3 4 5 m v 由此可见，采用这种方法的可测量最大电压数为单片b g o 晶体可测量电压 最大数的1 4 1 倍。实际电压测量范围也由原来的几k v 提高到了几百k v 。 加在两电极间的高压电场通过升压变压器来实现。如图3 4 。 在低压端输入0 v - - 2 2 0 v 、5 0 h z 的交流信号，在高压端就可以获得0 1 0 k v 的高电压。通过接数字万用表可以测量实际输出的电压值。输出端电压接两电极 以产生高压交变电场。 一叫舞岛一士 中国科学技术火学f 研一9 f 究生毕业论文 a c ，一 r 7 h 、 r i l 、 i 。卜 f j 、。 | 0 、 ， 厂 j ， t ：) ，i i 压输出 l o k v 中国科学技术大学顺二l 研究生毕业论文 3 3 光源与接收机 光源是光纤传感器中的重要部件，它的性能直接影响光纤传感器的质量。对 光源的结构和性能有一定的要求： ( 1 )由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合； ( 2 ) 光源要有足够的亮度，以提高光纤传感器的输出功率； ( 3 ) 光源发出的光的波长应适合，以减少光波在光纤中传输时的能量损 耗： ( 4 ) 光源工作时稳定性好，能在室温下连续长期工作。 我们设计的光纤电压传感器使用最常见的半导体发光二极管l e d 作为光 源。半导体发光二极管l e d 是一种利用载流子在节区的注入与耦合而产生光辐 射的半导体光源。其特点是：工作电流小，寿命长，输出功率与驱动电流的线性 度好，使用简便。 接收机是光纤电压传感器的光接收部分。接收机的任务就是将光纤传输的光 信号转换成电的形式。它的性能指标将直接影响传感器的性能。一般光纤传感器 对光接收机的要求如下： ( 1 ) 线性度好，按比例地光信号转换成电信号； ( 2 ) 灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号： ( 3 ) 响应频带宽、响应速度快，动态特性好； ( 4 ) 性能稳定，噪声小。 综上所述，光的发射与接收器件选用a g i l e n t 公司8 2 0 r i m 波长的h f b r - - 0 4 0 0 系列。该系列中的h f b r 一1 4 x 4 h f b r - - 2 4 x 2 可在1 5 0 0 m 距离内达到5 m b d 的速率，工作温度范围为一4 0 + 8 5 ，有s t 、s m a 、s c 和f c 多种端口型 号可供选择。h f b r 一1 4 x 4 采用8 2 0 n m 波长的a i g a a s 型l e d ，h f b r - - 2 4 x 2 内部集成了包括p i n 光电检测器、直流放大器及集电极开路输出s c h o t t k y 型晶 体管的一个i c 芯片，其输出可直接与流行的t t l 及c m o s 集成电路相连 1 6 l 。 中国科学技术人学i ! j jh i ：l _ 究生毕业论文 t ，2 。3 5 兽6 一 ， 8 0 1 0 1 1 图3 5h f b r l 4 1 4 & 2 4 1 2 。敲矗菲? 一 ，么 u n d e r d r i v e 一 c a b l ea 1 n u a f l o n d b + k 1 m a x i 帅c + 晒c l 4 m i n 船1 c + 8 5c i 15 t y pc + 2 5c 1 2 8 l i n kl e n g t hf k i i l l f i g u r e3 h f b r 1 4 1 4 hf b r 一2 4 1 2l i n kd e s i g n l i m i t sw i t h6 2 5 j1 2 5 i i ) c a b l e 圈3 6h f b r 一1 4 1 4 2 4 1 2 与6 2 5 1 2 5 , u m 光纤连接参数 显v c c 上 由图3 6 可见，距离为l k m ( 6 2 5 1 2 5 ,