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基于液体电介质的光纤电场测量传感技术研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：欧芝香指导教师：朱涛教授专业：光学工程学科门类：工学重庆大学光电工程学院二 O一四年五月 Study on Optical Fiber Electric Field Sensing based on Liquid Dielectric A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of EngineeringByZhixiang OuSupervised by Prof. Tao ZhuSpecialty: Optical EngineeringSchool of Opto-Electronic Engineering Chongqing University May 2014 重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着电力技术的快速发展，电场监测变得越来越重要。传统光学电场传感器大多基于电光晶体，其测量系统由分立器件组成，因此体积庞大易受外界干扰，存在着温度交叉影响等问题。集成式光学传感器将所有器件集成，大大缩小了传感器体积，但其制作工艺复杂，不易制作。全光纤型电场传感器因其体积小、抗电磁干扰以及便于远程测量等优点备受青睐。目前报道的全光纤型电场传感器大多基于压电材料或液晶材料，基于压电材料的电场传感器一般需要保偏光纤，考虑偏振等问题，信号解调较复杂，基于液晶材料全光纤传感器存在温度交叉等问题且测量范围小。本文利用液体电介质在电场作用下发生 Kerr效应和流动现象，提出了三种全光纤电场传感器，包括大偏置结构Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪以及腐蚀的光纤布拉格光栅（FBG）传感器。Mach-Zehnder干涉仪测量范围大、携带方便且能实现液体电介质内任何位置的单点测量；Fabry-Perot干涉腔避免与电介质接触，避开了温度影响，且将 Fabry-Perot干涉仪和 FBG与液体电介质封装后可直接作电压传感器。文中将封装好的电压传感器对脉冲电压和工频电压进行了测量，主要工作包括：研究了电流体动力学原理，分析 Kerr效应产生的微观原因并通过实验得出电介质在电场作用下产生的电泳力能推动光纤运动，验证了基于 Kerr效应或液体电介质流动的全光纤电场测量的可行性。基于 Kerr效应提出一种大偏置结构全光纤 Mach-Zehnder干涉仪传感器，这种传感器是利用光纤熔接机在一段单模光纤两端偏置 62.5m熔接两段光纤而制成。利用该传感器对电介质液体在 10.67kV-23.3kV脉冲电压下所产生的畸变电场进行了测量。最后得出从施加电压到达峰值时间内，液体内电场与电压呈线性增大关系，但在电压波形后期电场明显发生畸变，即先随电压骤降然后再增大。当电压为 23.3kV时，液体中部畸变电场值高达 150kV/cm，测量灵敏度为0.01W/(kV/cm)。发生畸变原因在于液体中的绝缘颗粒在电场作用下会被吸引到电极表面形成电阻层，使得液体中电场降低，当电压降为零时，电极表面的颗粒又会重新注入到液体中使液体内部电场又升高。为减小 Mach-Zehnder干涉仪测量时液体流动导致干涉臂长度变化引入的误差，根据第二章中对基于电流体动力学测量电压可行性的验证，制作了两种对流体流动敏感的传感器。一种为由两段单模光纤和毛细管制作而成的 Fabry-Perot干涉仪，另一种为选择性腐蚀 FBG的微震动敏感型传感器。分别将两个传感器进行封装作为电压传感器并利用 Fabry-Perot干涉仪传感器对峰值为 10kV-76kV的I 重庆大学硕士学位论文中文摘要脉冲电压进行了测量。结果表明干涉光强滞后于脉冲电压约 1ms达到最值，撤去电压后光强能恢复到原来大小，灵敏度为约 0.36W/(V.s)。另外，利用 Fabry-Perot干涉仪和 FBG传感器对频率为 50Hz，峰值 7kV的工频电压进行了测量，测得光信号随着工频电压也以 50Hz的频率变化，滞后时间为约 0.5ms。关键词：电场传感器，Mach-Zehnder干涉仪，Fabry-Perot干涉仪，布拉格光栅II 重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACT With the development of power technology, electric field monitoring is becomingmore and more important. Most of traditional optical electric field sensors are based onthe electro-optical crystal and the system is composed of discrete components, leadingto bulky volume. It also suffers from the external interference and temperature causedcross effect. Integrated optical sensors aggregate all devices to compact the sensingsystem while their fabrication processes are complicate. All fiber electric field sensorshave attracted considerable advantages, including compactness, immunity toelectro-magnetic interference and ease of remote measurement. By now, the proposedall fiber electric field sensors are mostly based on piezoelectric materials and liquidcrystal. Piezoelectric materials based sensors are polarization dependent wherepolarization maintaining fiber and polarization related problems should be taken intoaccount, complicating the signal demodulation. And sensors based on liquid crystal aresensitive to temperature and the measurement range is relatively small. In this paper,three kinds of all fiber electric sensors including large offset Mach-Zehnderinterferometer, Fabry-Perot interferometer and etched fiber Bragg grating are proposedon the basis of Kerr effect and flowing of liquid dielectric by electric field.Mach-Zehnder interferometer with wide measure range can measure the electric fieldat any place of liquid dielectric. The packaged Fabry-Perot interferometer disconnectthe cavity and dielectric, avoiding the effect of temperature. Also, both the packagedFabry-Perot and FBG sensors can be used as voltage sensors, which are used tomeasure pulsed voltage and power voltage. The main content of this thesis are asfollowings:The principle of electro-hydro dynamics is studied and the Kerr effect isanalyzed from the micro view point. The phenomena that electrophoretic force canpush the fiber is found, verifying the possibility of all fiber electric field measurementby using Kerr effect or electro-hydro dynamics.An all fiber Mach-Zehnder interferometer with large offset is firstly proposedbased on Kerr effect, which is fabricated by fusion splicing two pieces of single modefiber at each end of another piece of single mode fiber with lateral offset of 62.5m.The electric field produced by the pulse voltage ranged from 10.67 kV to 23.3 kV ismeasured by immersing this sensor into liquid dielectric. A linearly increasingIII 重庆大学硕士学位论文英文摘要relationship between electric field and voltage is obtained from the initial to peakvoltage. While at the end of the voltage, electric field distorts, i.e., electric fielddecreases with voltage sharply and then increases. The electric field reaches up to150kV/cm when the voltage is 23.3kV with the sensitivity of 0.01W/(kV/cm). Thereason for electric field distortion lies in that the insulating particles are appealed to thesurface of electrode to form resistance layer, decreasing the electric field while theelectric field increases after it decreases to 0 when the particles are re-injected into theliquid.In order to decrease the error of interference beam length which caused byliquid flow, two kinds of liquid flow sensitive sensors are fabricated. One is fabricatedby using two pieces of single mode fiber and capillary tube while the other utilizes theetched fiber Bragg grating, which are then packaged to be employed as voltage sensors.The Fabry-Perot interferometer is used to measure the pulsed voltage with peakamplitude from 10 kV to 76 kV and the experimental results show that optical intensityreaches peak with 1ms lag behind voltage and recovers to the initial value afterremoving voltage. The sensitivity is 0.36W/(V.s). Then Fabry-Perot interferometerand fiber Bragg grating are employed to measure power frequency voltage withfrequency of 50Hz and peak of 7kV. Experimental results show that optical signalchanges periodically with frequency of 50Hz while it also shows 0.5ms lag withrespect to voltage.Key words:Electric field sensor, Mach-Zehnder interferometer, Fabry-Perotinterferometer, fiber Bragg grating.IV 重庆大学硕士学位论文目录目录中文摘要 I英文摘要 III1绪论11.1引言11.1.1脉冲瞬态电压及其产生的瞬态电场的测量 11.1.2工频电场的测量 31.2电场测量的国内外现状 31.3电场的主要测量方法 41.3.1基于 Pockels效应的电场传感器 51.3.2基于 Kerr效应的电场传感器 61.3.3基于逆压电效应的电场传感器 71.3.4基于特种光纤性能的电场传感器 71.4课题研究的内容及意义 81.4.1课题研究的内容 81.4.2课题研究的意义 82液体电介质全光纤电场传感原理 92.1电流体动力学的微观分析 92.1.1电荷运输及“漏电介质”模型92.1.2电泳力和介电电泳力 102.1.3电介质液体内部粒子所受的电力 112.2基于电流体力学的电压测量可行性分析 122.3液体电介质全光纤电场传感原理 122.3.1基于液体电介质 Kerr效应的 Mach-Zehnder电场传感原理 122.3.2液体电介质振动敏感型电场传感器原理 163基于 Kerr效应的全光纤 M-Z干涉仪的电场测量 233.1引言 233.2传感器的制作 233.3基于全光纤 M-Z的电场测量 243.3.1基于全光纤 M-Z的电场测量系统 243.3.2基于全光纤 M-Z的电场测量结果 253.3.3传感器的实际运用 29V 重庆大学硕士学位论文目录3.3.4基于全光纤 M-Z的电场测量误差分析 293.4本章小结 304基于电流体动力学的 F-P干涉仪和 FBG的电压测量 324.1引言 324.2基于 Fabry-Perot干涉仪的电压测量 324.2.1 Fabry-Perot干涉仪传感器的制作及封装 324.2.2基于 Fabry-Perot干涉仪的实验测量系统 344.2.3基于 Fabry-Perot干涉仪的脉冲电压测量结果 354.2.4基于 Fabry-Perot传感器的工频电压测量结果 384.3基于 FBG的工频电压测量 394.3.1光纤 Bragg光栅 394.3.2光纤 FBG电压传感器的制作 394.3.3基于 FBG传感器的工频电压测量系统 414.3.4基于 FBG的工频电压测量结果 424.3.5基于 FBG的工频电压结果分析 434.4本章小结 445总结与展望 465.1论文主要工作内容总结 465.2后续工作展望 47致谢 48参考文献 49附录 54A.B.作者在攻读硕士学位期间发表的论文 54作者在攻读硕士学位期间申请的专利 54VI 重庆大学硕士学位论文1绪论1 绪论1.1引言随着各国科技快速发展及人们生活需求的提高，人们对电力的需求越来越大，对电能质量的要求也越来越高。与此同时，各种电子设备及仪器的广泛使用，使人们生活在一定大小的电磁辐射中。此时，电场测量显得尤为重要，电场传感器已经广泛运用于电力工业和航天航空领域。在电力工业中，由于特高压交流输电线路能实现远距离传输、大容量输电、减少线路回数、节省线路走廊、能耗低、经济性好，已经广泛运用于各国。我国在 05年就已经完成了 1000千伏交流和800千伏直流电网的建立1。输变电站为高电压与用户之间连接的枢纽，在高电压变电所和发电厂中，当运行一次设备的断路器或隔离开关时，由于操作触头间气息的击穿，将在母线上产生幅值高，频带宽的瞬时电压和瞬时电流，这不仅会危及到周围设备，还可能造成大面积停电，造成一定经济损失。该过程中产生的电磁辐射不仅影响了人们正常生活，严重时，还可能危及到人们的生命2-4。另外，在高电压能量传输过程中，高压线附近电压产生的空间电场将对周围作业的人们身体带来很大危害，为了预防这些情况的发生，需要对高电压及其产生的空间电场进行测量。在航天航空领域，为保障发射升空的航天器安全升空，需要在发射之前对空间电场进行实时监测，从而判断航天器能否发射升空，以使航天器避免遭受自然雷击或诱发闪击而损伤5。另外，电场测量在医学，生物，国防等领域也具有一定的作用。电场测量的主要运用具体如下：1.1.1脉冲瞬态电压及其产生的瞬态电场的测量我国是雷电活动十分频繁的国家，据不完全统计，我国每年因雷击伤亡人数就有 30004000人，所造成的损失有好几十亿元。输电线路因其电压等级的升高及覆盖面积的扩大，传输容量得以增大，但其绝缘距离及杆塔高度也相应增加。引雷半径随着线路走廊尺寸的加大也自然增大，近年来因雷击引起的输电线路跳闸事故日益增多6。据统计，2004年，国家电网所属系统 220500kV输电线路共发生跳闸 1253次，其中因雷击造成跳闸 410次，占总跳闸次数的 32.72%，为各类故障的第一位。为避免雷击时线路产生绕击跳闸和反击跳闸，需要在变电站或者线路上安装避雷器。广东省对 500kV线路雷击跳闸的雷电流幅值进行了测量：当电流介于 10kA到 50kA时，雷电流可能绕过避雷线导致绕击跳闸；当电流幅值大于 200kA时，雷电流可能因击中杆塔或者地线造成反击跳闸；介于以上二个幅值之间的电流，不能引起反击跳闸（幅值不够大），也不能引起绕击跳闸（幅值太大）7-8。高压线附近的雷击电压因不同地方（如山坡、平地上）也都不一样，故1 重庆大学硕士学位论文1绪论对避雷器的设计与安装问题，需了解该地雷击杆塔时雷电流的大小及准确测量具体位置处的电压。相对于输配电线路的雷电事故，变电站的雷电事故要严重得多。一旦变电站因事故造成断电，将导致大面积停电，这不仅会影响人们生活，更会造成一定的经济损失。雷电主要通过以下三种方式危害到变电站正常运行：雷电直击变电站；一次雷云主放电约达数十万安培，产生瞬间高热和电动力，这易造成混泥土杆炸裂，火灾或者大爆炸，电气设备损坏等5,8。雷电沿路传过来的雷电波；雷电波的概念是从波传输理论出发得来的。波阻抗在雷电波的传输过程中突变进而产生反射、折射，使其突变处电压升高，这无疑加大了对周围设备的危害6,8。通过变电站落雷时产生的感应过电压；直击雷在放电过程中会产生能量，这种能量因电磁感应或静电感应向四周辐射，导致周围的设备过电压放电，这为感应雷，其危害面积大，能影响较远距离的电子设备。变电站有避雷针保护，故变电站受雷电直击的可能性较小。所以对变电站电气设备构成威胁的主要方式是沿线路侵入变电站的雷电过电压。气体绝缘变电站（GIS）指以高压气体为主要绝缘物质的变电站，其主要绝缘气体为惰性气体 SF6。其高压电器一般置于金属壳内，且金属壳接地。它由于占地面积小、维护方便、运行安全已广泛运用于各国。但由于它占地面积小，各设备之间的距离非常近，干扰便显得更严重。在变电站开关操作时，产生上升时间极短的瞬态过电压，该电压会引起幅值高，频谱宽的瞬态电磁干扰，对变电站周围的环境或设备的正常运行及人民生活带来一定的困扰。在高电压传输网络中，变压器是实现电压变换不可或缺的器件，其主要绝缘材料为变压器油，它起着冷却和绝缘的双重作用。当直流或者交流电压长时间作用于变压器油时，其中会产生某种介电常数较大的带电杂质，这些带电杂质易在电场作用下沿电场方向排列，形成小桥使绝缘油击穿。这可能会增大变压器油的介质损耗率，从而导致变压器油绝缘下降，甚至不能使用9。大量使用情况显示，变压器绝缘性能下降大部分是由变压器油的劣变而引起的。而探测变压器油内电场大小，分析其中带电颗粒性能指标是分析油裂变非常关键的一点。在核爆炸过程中会产生 射线，射线在与空气分子相互作用过程中产生核电磁脉冲。它具有场强高，上升时间快等特点，对周围环境影响特别大。对核电磁脉冲的研究自核试验开战之初便一直受到人们的重视。随着信息产业的发展，除了核电磁脉冲之外，高功率电磁环境也逐步引起了人们重视，雷电电磁脉冲、高功率微波、超宽带、静电放电和大功率开关动作等都属于高功率电磁环境。它对信息设备具有一定的危害性，其最主要的危害方式是瞬态电磁场的耦合效应，这2 重庆大学硕士学位论文1绪论对通信、交通、能源等领域都具有相当大的危害。1.1.2工频电场的测量人们生活水平的不断提高，使得特高压电网逐渐建立及运行，这一方面促进了煤电业、水电业、核电业、大型可再生能源基地的开发及利用。而另外一方面，特高压变电站和输电线路的电磁环境对人体的影响也受到越来越多的人的关注。美国 Delles实验室做过相关研究：当高压直流母线下电场为 30kV/m时，穿普通鞋的人站在高压线下毛发会有刺激感并伴随着头皮有轻微刺痛感。在电场高于30kV/m时，人体在高压下易与外界物质间发生火花放电，使人明显感觉到刺痛，此时，若有工作人员在进行高空作业，极易因电场影响而发生坠落事件。另外，有报道指出长期在变电站周围生活的人们记忆力、胸癌发病率、得流行病的机率也高于其他人10-13。另一方面，若系统发生故障，所波及的范围和对国民经济的发展以及对人民生活造成的影响也会因电网覆盖面积的逐渐增大而越来越大。因此如何监测电力系统以使其安全运行成为众多电力科研工作者关注的焦点。除了高压线下电场监测外，绝缘子表面电场的监测也尤为重要。在高电压传输中，绝缘子主要用来支撑导线以实现高压电极和地之间的电绝缘。在绝缘子正常工作情况下，高压母线悬垂绝缘子串的电压分配从高到低的变化是平缓的，但当某一绝缘子绝缘损坏或者劣化时，该绝缘子表面电荷将发生聚集引起表面电场畸变，最终导致其沿面闪络电压低，此时将检测所得绝缘子表面电压分布曲线与其正常工作时的曲线进行对比，便能判断绝缘子是否正常工作。如果某处电压出现骤变，则说明此处绝缘子已经损坏14-18。测量绝缘子表面电场的方法目前有探头法，在被测绝缘子附近放置金属探头，探头感应绝缘子表面电荷，这些电荷值通过测量探头上的感应电压得到，但绝缘子表面和探头之间易发生小间隙击穿，故这种方法要求测量前撤除外加电压，同时将绝缘子二端电极接地。而这将改变绝缘子表面电荷分布情况，导致测量结果不能真实反映绝缘子表面电荷分布。因此，对绝缘子表面电场的测量最好采用“在线测量”，并且需要采用对绝缘子表面电场分布扰动最小的传感器，这样才能更好的测量绝缘子在工作时或者遭受雷击的整个过程中表面电场变化情况，以便绝缘子的改善和再次安装17。1.2电场测量的国内外现状对于电场的测量，国外开始得比较早，早在 1987年日本 Smitomo电气公司就根据气体绝缘开关设备的电场测量要求，研制出了基于 BGO晶体纵向 Pockels效应的光学电场传感器，并成功安装在气体绝缘开关设备系统进行了电场和脉冲电场的测量19。1990年，日本东电公司利用 LiNbO3晶体的 Pockels效应通过对电场的测量研制出一种采用电容分压形式的光纤电压互感器，测量范围达到 077kV,3 重庆大学硕士学位论文1绪论误差为0.2%20。1992年，Kobayashi等人报道了一种用 BGO晶体作为传感元件的电场传感器，其传输介质采用光纤，测量误差可达1%21。1993年，日本东京电力和日立公司基于 BGO晶体的横向 Pockels效应，实现了直流高电压的测量，并在换流站中投入实际运用22。2000年 Josemir等人用锗酸铋晶体的电光效应通过对电场的测量实现了对交直流电压和脉冲电压的测量。此外，2002年，A.Kuamda等人报道了一种可测量晶体表面电位分布的传感器，通过晶体反射光束和 CCD相机可记录晶体表面电位分布23。同时，也有研究者利用 Kerr效应实现了对电场的测量。早在 1974年，Esther等人就利用硝基苯液体实现了对各种电场的测量，并分析了各种电极间电荷的分布情况24。但是由于硝基苯的有毒性，令其发展较慢。2002年 A.Helgeson等人用碳酸丙烯脂代替有毒的硝基苯，根据 CCD相机拍摄到的 Kerr盒横截面的电位分布图，得出 Kerr液体内电极板横截面的二维电场值，并根据电场分布情况分析了液体中电荷分布的情况25。除此之外，2007年，C.Gutierrez等人介绍了一种全光纤的集成光学传感器，其测量原理为用光延迟匹配和光相干调制的方法测量，但是整个测量系统较复杂26。另外，也有一些用液晶测量电场的报道出现。2000年，M.T.Azar就通过在光纤裸露纤芯上涂覆液晶聚合物，通过消逝波干涉来测量电场，但响应时间较慢27。2011年，S.Mathews等人就报道了一种将液晶充入光子晶体光纤的全光纤电场传感器28。但是由于液晶本身限制，所测量电场范围不大。另外由于液晶受温度影响很大，所以将其投入实际测量时还需克服温度等影响或采用温度补偿等措施。国内对电场的测量大部分始于 80年代，先后有清华大学、电子 26所、哈尔滨工业大学、华中理科大学、电子科技大学等从事相关研究。1999年，饶云江教授采用周期连接的铌酸锂晶体，使电场在其上面产生布拉格光栅，实现了带宽约0.400MHz的测量29。2007年，清华大学的曾嵘教授带领的团队利用钛扩散的方法制作出基于 Mach-Zehnder干涉仪的集成式光学电场传感器，能实现高达300kV/m的电场测量，并用该传感器不仅实现了对复合绝缘子表面电场的测量，还对 1m棒-板间隙在正极性雷电冲击电压作用下的空间电场进行了测量30-32。电子科技大学的孙豹博士利用光波导，制作出 Mach-Zehnder干涉仪结构的分段电极式集成光学电场传感器，用该传感器实现了工频电场的测量校准装置并对 100V/m到 2500V/m的工频电场进行了测量33。同时，重庆大学的杨庆老师带领的团队在利用 Kerr效应测量电场大小的同时，研究了不同电极下液体中电荷分布情况34。1.3电场的主要测量方法早期对电场的测量主要是基于电学的方法35-38，主要有电位平衡法和电荷法，电位平衡法包括有小球法，电容充电法等。电位平衡法的测量原理为通过测量电4 重庆大学硕士学位论文1绪论位分布来进行电场测量，其准确性较差。电荷法是通过测量小球在电场中捕获的电荷来测量电场，具有局限性。如 1992年 M.Kanda等人用电阻负载偶极子实现对电场的测量35。但由于被测电场会受金属探头的扰动使测量结果不准确。与之相比，基于光学的传感器显示出了很大的优势：对被测电场干扰小、响应速度快、测量带宽大、灵敏度高且便于“在线测量”。光学电压传感器主要是借助于某些功能材料来实现电压测量的，这些功能材料一般具有某一特殊的物理效应，如：存在于电光晶体的一次电光效应（Pockels效应），存在于 Kerr液体中的二次电光效应（Kerr效应），压电材料的逆压电效应等。下面简单介绍一些基于这些原理的传感器类型：1.3.1基于 Pockels效应的电场传感器光在某些受外加电场作用的晶体中传输时，会产生感应双折射，使在其中传输的光折射率发生改变，其改变量与所加电场成一次线性关系，称为 Pockels效应，它存在于无对称中心的晶体中。当波长为 的光通过长度为 L的电光晶体，发生双折射，在出射时二束光将发生相位移动，相位差为：Dj = kV（1.1）其中 k为与晶体本身的一次电光系数、光通过电光晶体的长度 L以及外加电压有关的常数。由于相位不易检测，故测量时，一般利用检偏器等光学元件将偏振光对应的相位变化转化为光强变化，便可对外加电压或者电场进行测量。V电光晶体准直透镜起偏器1/4波片检偏器图 1.1基于 pockels效应的分立式光学电场传感器示意图Fig.1.1. Schematic diagram of separated optical electric field sensor based on pockels effect目前基于 Pockels电光效应的测量系统有分立式和集成式的。其中分立式测量又根据所加电场方向与光传输方向垂直或平行分为横向调制型（外加电压与光传播方向垂直）和纵向调制型（外加电压与光传播方向一致）。由于纵向调制成本高，高压下要实现绝缘困难，目前主要采用横向电光调制19,23。其测量原理图如图 1.1所示：单波长入射光通过起偏器后变为线偏振光，再通过电光晶体，在外电场作用下，电光晶体产生双折射使入射光分为二束光在其内传播。二束光在通5 重庆大学硕士学位论文1绪论过检偏器后偏振方向一致，从而发生干涉，被测电场通过检测干涉光强值而得到。对于分立式测量系统，每次测量时需要调节光路，且体积较大，移动非常不方便，故现在很少采用，而基于 Pockels效应的集成式电压传感器逐渐成为研究热点39-41。这些传感器主要是基于光波导技术，一般利用铌酸锂晶体为衬底制作而成。图 1.2为一种基于 Mach-Zehnder干涉仪的波导集成式电场传感器，电场通过单个天线电极加到该光波导上。光通过波导输入到传感器在输入端的 Y分叉处分为两束光，这两束光功率基本相等。两光路中的光波在输出端 Y分叉处发生干涉。通过测量输出干涉光强的变化就能测得电场大小 42。另外，