（电磁场与微波技术专业论文）无线光电电压传感器设计.pdf

上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 摘要 无线技术与光电电压传感器的结合，是近几年来光电电压传感系统新的发展 趋势，主要为了解决由线缆带来的诸多问题，适应更多电压测量的应用场合。在 研究了目前光电电压传感器的基础上，提出了高精度的无线光电电压传感系统的 设计方案。 文本主要实现无线电压精确测量，详细阐述了无线光电电压传感系统的设计 思想和实现方法。具体分析了设计原理，详细分解了设计过程，讨论了测试结果 以及进行了实际应用。无线光电电压传感系统主要由电压传感器部分、无线传输 部分和数据处理三个部分构成。电压传感部分以b g o 晶体为核心器件，根据电 光效应，把电信号调制到光信号上，通过测量光信号偏振特性的改变，获取被测 电压值。由于b g o 晶体存在半波电压，不能用它直接测量高电压。本文用平板 电容分压原理，将高电压通过一组相互串联的平板电容，将高压降低至远小于 b g o 半波电压的程度，然后再用电光效应进行测量。并且通过最小二乘法的曲 线拟合方式，提高了测量的准确性。第二部分为无线传输部分，以n r f 2 4 0 1 为 核心，与多个电压采集节点通信，构成网络。第三部分为处理部分，以p c 机处 理数据为主，采用r s 2 3 2 的通信，实现无线接收和p c 机之间的数据传输以及人 性化的交互式操控界面。 对本无线光电电压传感系统进行了实际测试。在室温条件下，对0 - 5 0 0 0 v 的 外加电场进行了测量，电压显示误差小于o 4 ，无线传输距离约大于1 0 米。 关键词：无线传输、光电电压传感器、n r f 2 4 0 1 ； v 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 a b s t r a c t i ti sat r e n df o rv o l t a g es e n s o rt ob ec o m b i n e dw i t hw i r e l e s st e c h n o l o g yi n r e c e n ty e a r s t h en e wt e c h n o l o g yi st os o l v et h ep r o b l e mi n e x i s t i n gs e n s o r n e t w o r ka n dt om e e tt h en e e do fm o n i t o r i n gv o l t a g ei nm o r es i t u a t i o n s an o v e l d e s i g no fw i r e l e s sm u l t i p o i n ta n dp r e c i s ev o l t a g es e n s o rs y s t e mh a sb e e n p r o p o s e d t h ew i r e l e s sm u l t i p o i n tv o l t a g em e a s u r e m e n ti sr e a l i z e da n dt h ed e s i g ni d e a a n dr e a l i z a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e df o rv o l t a g es e n s o rs y s t e mi nt h i sp a p e r t h e d e s i g ni sw e l la n a l y z e d ，t h ep r o c e d u r ei si n t r o d u c e d ，t h et e s tr e s u l ti sd i s c u s s e d a n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ni sr e a l i z e d t h ew i r e l e s sv o l t a g es e n s o rs y s t e m c o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：v o l t a g em e a s u r e m e n t w i r e l e s st r a n s m i s s i o n a n d d a t a p r o c e s s i n g i n v o l t a g em e a s u r e m e n t s e c t i o n t h ec a p a c i t a n c e p o t e n t i o m e t e ri sc h o s e na n dt h em e t h o do fl e a s ts q u a r e1 i n e a rf i ti su s e dt o i m p r o v et h em e a s u r e m e n tp r e c i s e n e s sa n ds t a b i l i t y t h e2 4 5 g h zw i r e l e s s t r a n s c e i v e r ( n r f 2 4 01 ) i su s e di n “w i r e l e s st r a n s m i s s i o f f s e c t i o na n dt h es i m p l e t r a n s m i s s i o np r o t o c o li sd e s i g n e dt oi m p r o v et h ed a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y t h e r e a l t i m ec o l l e c t i o nm o d ea n dt h ep o l l i n gm o d eh a v eb e e nr e a l i z e do nt h eb a s eo f t h ep r o t o c 0 1 i n “d a t ap r o c e s s i n g ”s e c t i o n l p c 9 38p r o c e s s o ri su s e da n dd a t a p r o c e s s i n g ，s t o r a g e ，d i s p l a y , a n dc o n n e c t i o nb e t w e e nt h es y s t e ma n dt h ep ca r e r e a l i z e d s o m ep r a c t i c a lt e s t sh a v eb e e nd o n ef o rt h ew i r e l e s sv o l t a g es e n s o rs y s t e m i nt h er a n g eo f0 - 5 0 0 0 v , t h ee r r o ro ft h ev o l t a g em e a s u r e m e n ti sl e s st h a no 4 ， u n d e rt h er o o mt e m p e r a t u r e a n dt h ed i s t a n c eo ft h ew i r e l e s st r a n s m i tc a l lb ef a r o f f m o r et h a n1o m k e y w o r d s ：w i r e l e s st r a n s m i s s i o n , e l e c t r o o p t i cv o l t a g es e n s o r , n r f 2 4 0 1 v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：生釜丑e t 期：金丛：兰：笪 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：型己组导师签名：蛑日期：趔 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 第一章绪论 1 1 课题研究的意义和目的 电压传感器是一种专门用作变换电压的特种变压器。传感器是输电线路中不 可缺少的重要设备，其作用就是按一定的比例关系将输电线路上的高电压和大电 流数值降到可以用仪表直接测量的标准数值，以便于用仪表直接进行测量。传感 器除用作测量外，还可作为各种继电保护的电源。 传统的电磁式电压传感器利用法拉第电磁感应原理对电压进行测量，它在测 量精度及实时性等方面都能达到测量要求，并已经被广泛应用于供电网的电压测 量中。但是面对现代电网的超高压化以及数字化的要求，传统的电磁式电压传感 器的也存在不少很明显的不足【l 】【2 】： 1 ) 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 ) 整个测量装置存在二次短路和开路的危险。 3 ) 中存在电感线圈，不利于测量电压高频分量。 4 ) 传统的电压传感器的分合闸，会因过渡过程产生电压振荡，引起真空开关 的永久性破坏。 5 ) 传统的电压传感器难以实现数字化，对电网数字化的演变具有一定的阻 力作用。 因此，电力工业一直希望能应用光电晶体结构传感器来取代传统的电磁结构 传感器，以消除传统传感器的一些弊端，实现更可靠、更精准、更安全的测量方 式，由此光电电压传感器诞生。由于采用的是光电晶体因此人们通常称这类新型 传感器为光电电压传感器；同时，由于其光学器件的连接是通过光纤连接的，因 此光电电压传感器有时也被称为光纤电压传感器。光学技术和传统的电磁互感技 术相比有以下几大优点【 8 】： 1 ) 光纤传感器不存在任何导电因素，绝缘性好，可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。 3 ) 不存在因磁饱和而导致大电流时检测灵敏度的下降。 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 4 ) 抗电磁干扰能力强。 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。因此，光纤电压传感器将成 为新一代的具有极强的生命力和竞争力的电压检测装置。 由于电压传感器一般是用于超高压环境中，因此安全性也是相当重要的一个 考虑因素。当无线传输技术运用到光电电压传感器上之后，可以将传感器的布线 问题得以解决。由于采用了无线传输技术，因此传感器和后端用于存储和处理数 据的p c 机之间无需通过复杂的连线进行传输。对于现代电网的三相电压而言可 以省略相当多的连线。在安全程度上有进一步的提高，在布线成本上也有进一步 的提高。 综合以上各项优点，无线光电电压传感器能更好的满足现代电网的测量要 求，并消除了电网数字化的重大障碍。 1 2 研究现状 1 2 1 光电电压传感器的研究现状 光电电压传感器的研究开始于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理论，但以基于p o c k e l s 电光效应制成的光纤 电压传感器的模型和理论较为成熟。从目前的情况看，各国的研究和实验室产品 均集中于此种电压传感器。下面就光电电压传感器的国内外研究情况和成果进行 简要的综述【”0 1 。 1 9 7 9 1 9 8 0 年，日本政府制定了“光应用计划控制系统 七年计划，要求光 纤传感器解决大型工矿业存在的电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、 传输和生产过程控制。1 9 8 7 年s u m i t o m o 电子公司的t m i t s u i 根据气体绝缘开关 设备的电压测量要求，研制出光纤电压传感器和光纤磁场传感器，并成功地安装 在体绝缘开关设备系统并进行了现场试验。他还根据瞬态电压持续时间短、电压 高的特点，研制出p o c k e l s 光纤电压传感器，并提出瞬态电压的测量方案。1 9 8 8 年东京电力株式会社研究所研制的光纤电压传感器，曾通过了2 5 7 k v 变电站的 长期试验。1 9 9 0 年a i c h ic h u b u 电力电子公司的e i y aa i k a w a 根据测量系统中测 2 上海大学硕士学位论文 无线光电电压传感器 量设备的不可靠问题，研制出零序电流电压故障检测的光纤传感器。根据应用 情况，提出了传感器的安装结构，并进行了现场测试。该传感器可用于测量负载 电流及线电压，测量和分析高次谐波电流，以及配电系统故障检测。1 9 9 2 年 k o b a y a s h i 报道了用b g o 晶体作为传感元件的光纤电压传感器，测量误差为 1 。 8 0 年代末，美国的t e n n s s e ev a l l e ya u t h o r i t y sc h i c k a m a u g ad a m 配电站研究 人员提出了长期目标：实施适合各种传输水平( 计费测量、保护中继、监视控制与 数据采集) 要求的电流电压传感器。1 9 8 6 年，在该配电厂安装了光纤电流传感器 之后，开始了针对单向计费测量系统的光纤电压传感器的研制。并提出了下一阶 段的研究计划：在全部三相测量系统中实施光纤电压传感器。1 9 9 3 年，美国国 家航空和宇宙航行局喷气推动研究室a l l a n 设计了用于电力配备系统的自动控制 的光纤电压p o c k e l s 型电压传感器，用于测量1 0 2 0 k v 的高压测量系统，传感器 的最小探测电压为l m v 。 目前光电电压传感器的研究已经出现的了几大主流趋势：用于s f 6 气体绝 缘高压开关的光纤电压传感器、频率调制型光纤电压传感器、光控灵敏度的光纤 电压传感器、以单片机为信号处理芯片的光纤电压传感器等。 1 2 2 短距离无线技术的发展与现状， 随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增 长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。在过去的几年中， 无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进 步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发展使移动 通信设备更加灵巧、经济、可靠。人们开发了能够取代电缆的短距离无线连接技 术来解决目前存在的问题。其中，最流行的关于短距离无线数据通信有蓝牙技术， 8 0 2 1l ( w i f i ) 、i r d a 、u w b 、z i g b e e 和近年来开始流行的微功率短距离无线通 信技术。 随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以 集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少 量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振荡器等己 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。许多射频芯片 工作于i s m 频段( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a lb a n d ，即工业、科学和医用频段) ， 一般包含简单透明的数据传输协议。发射功率、工作频率等所有工作参数全部通 过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据 命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信 系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速， 可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，适合搭建小型网 络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用1 2 2 - 2 5 1 。 1 2 3 无线光电电压传感器的研究状况 现代，信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用。传感器技术是 2 l 世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技 术视为现代高新技术发展的关键。从2 0 世纪8 0 年代起，日本就将传感器技术列 为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技 术发展的重点内容。我国从2 0 世纪8 0 年代以来也已将传感器技术列入国家高 新技术发展的重点。2 l 世纪是信息电子化的时代，作为现代信息技术支柱之一 的传感器技术必将得到较大的发展。 传统的电压测量是通过法拉第效应来测量，虽测量精度较高，但安全隐患， 测量范围等均有所限制，且只能进行近距离的测量和操作，信息传递速率低、环 境干扰大。近年发展起来的光纤电压传感器能较好的解决传统电压传感器所带来 的弊端问题。由于采用了光电器件来制作传感头，利用电光效应对电压进行测量， 设备体积小，响应时间快，价格低，测量精度要较高。随着微电子技术、计算机 技术和自动测试技术的发展，人们开发出将电压传感器和数字电路集成在一起的 新型数字式电压传感器。这样的传感器内部包含电压传感器、a d 转换器、信 号处理器、存储器( 或寄存器) 和接口电路。数字式传感器在精度、分辨率、可靠 性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，输出的数据和相关的控制 量可以连接到各种微控制器。受半导体器件本身限制，数字式传感器还存在一些 不够理想的地方，如实际应用时需加修正值等。 随着大规模集成电路技术的发展，信息的传输、处理技术有了突破性的进展， 4 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 发展相对滞后的传感器技术业已得到全世界的普遍重视。因此，今后一个时期传 感技术将成为人们研究的新热点，并有可能形成较大产业。传感器技术未来将向 以下几个方面发展：1 、高精确度；2 、小型化；3 、多功能集成化；4 、数字化； 5 、智能化。 无线技术与电压传感器的结合，是近几年来一个新的发展趋势，改变了传统 电压传感器系统拓扑结构，很好的解决了因为布线而造成的成本问题和安全隐 患，以及过长的导线而导致的测量端电压与表计端子上电压幅值和相位的不一致 问题i 并由此而产生的电能计量误差【2 6 1 。随着技术的逐步发展，对于实用、高效、 灵活、美观的要求越来越多，无线技术的优势逐渐显现出来，实现现场灵活应用， 零安装铺设费用，以及更高的安全性和可靠性。为此，光电电压传感器无线方式 的使用必将成为首选的方案。 2 4 5 g h z 频段的优势正逐步让我们发觉，并且吸引着我们的注意力，为此， 基于2 4 5 g h z 频段的各项优势，结合光电电压传感器，必将得到更广泛的应用【2 7 】。 1 3 论文的主要工作 本文主要研究超高压环境下的无线光电电压测量系统。在电压测量方面，其 首要的任务就是精确稳定的电压测量，设计了以b g o 光电晶体为传感元件的传 感头，后端配以l p c 9 3 8 的信号处理模块，提出曲线拟合法，通过软件对实测数 据进行非线性补偿，进一步提高电压值的测量精准度。同时，本系统还是无线通 信系统，需要对于数据传输的可行性和可靠性进行研究，通过设计软硬件来实现 无线传输。在这基础上，通过软件设计，定义了简单的无线传输协议以及多工作 模式的功能，提高系统的实用性。 在调研了现有的光电电压测量系统之后，本文提出的无线光电电压传感系统 在电压测量准确性和无线传输方面的都有所改进。 本系统的特点： ( 1 ) 采用光纤作为信号传输介质，绝缘性能极佳； ( 2 ) 摆脱了传统的互感器的磁饱和现象，测量精度高； ( 3 ) 系统采用无线方式摆脱传统连线的模式，安装更方便； ( 4 ) 直接以数字信号输出，便于电网的数字化； 5 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 ( 5 ) 可以选择两种模式，实时模式和轮询模式，以适用不同场合需要 ( 6 ) 频率高，传输速度快，不易受n ； i - 界干扰： 本系统的设计指标： 空旷地无线传输距离 2 0 米 室内无线传输距离 1 0 米 电压显示精度：o 0 1 v 测量最大误差 3 5 8 d ，( 式2 2 5 ) s f 6 气体间隙的工程击穿场强为t 4 2 1 ： k = 7 5 ( 1 0 p ) 0 。7 5 ( k v c m ) ( 式2 2 6 ) 式中：p 为气压，单位为m p a 当取p 2 0 5 m p a 时，雷电冲击下s f 6 的击穿场强为： e 一= 7 5 x5 0 7 5 = 2 5 0 7 8 ( k v c m ) ( 式2 2 7 ) 对于2 2 0 k v 的电压传感器要求耐雷电冲击电压为18 0 0 k v ，则 l = u i e 一= 1 8 0 0 2 5 0 7 8 = 7 1 8 c m ( 式2 2 8 ) 由( 式2 2 5 ) 和( 式2 2 8 ) 可见，分别制约了电容分压器的板间距离和整 体的大小，设计的时候需要综合考虑。 1 0 上海大学硕士学位论文 无线光电电压传感器 2 3 传感器的光路设计分析与设计 2 3 1b g o 晶体的设计分析 晶体折射率的各向异性是由构成晶体的原子、分子排列以及它们之忙】的相互 作用性质引起的。如果加在晶体上的外场的作用达到足以影响这种排列或相互作 用时，那么晶体的这种内在变化必然会在一些光学性质上反映出来。同样的各向 同性的晶体在外场的作用下，构成晶体的原子、分子排列以及他们之间的相互作 用性质也会有所改变，而这些内部改变同样会在光学性质上反映出来。 所谓电光效应指的是晶体在强电场、强磁场或力场等外场作用下，本来是各 向同性的介质也可以产生双折射现象。在常态下，我们可以用折射率椭球来描述 晶体折射率的空间分布情况。 即 工k ) - 2 = 1 i ，j 或岛x ，= 1 ( 2 3 1 ) f 其中b u - s 。白= g 扩) - 2 称为介电不渗透张量，代表光频下介电常数的倒数。 在这样的描述中，由电场引起的晶体折射率的变化等同于折射率椭球的形 状、大小及取向的变化，因而这个变化可以很方便地用系数b i j 的变化量b i j 来 描述。设为加电场时晶体的介电不渗透张量为b ；= i ；，加电场后变为b 扩，其 中是自然状态下晶体的折射率，n 是受外电场作用时晶体的折射率。将岛按 照电场强度e 展开： b 扩= b ；+ e i r + j i l 啪p e 口+ p ，q 或 衄= b 一瞄= 取+ 五啪q 日+ ( 2 3 - 2 ) 其中，7 融是三阶张量，称为p o c k c l s 系数( 或一次光电系数) ，| i l 咖是四阶 张量，称为k e r r 系数( 或二次光电系数) 。从式( 2 3 2 ) 中可以得出结论：折射 率变化与外加电场成线性关系的效应称为p o c k e l s 效应或一次电光效应：与外电 场成平方关系的效应称为k e r r 效应或二次电光效应。 电光效应按照外加电场和光波法线方向的位置关系可以分为两种，当外加电 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 场和光波法线方向平行时，所产生的电光效应成为纵向效应；两者互相垂直时的 电光效应称为横向调制【4 3 1 。 由以上对电光效应原理的分析可知：介质的折射率分布于其介电张量的分布 有密切的关系。因此我们用介电张量的变化量来表征介质光学性质的变化。 蚕= 吾一毛 ( 2 3 3 ) 其中，昂和万分别是变化前后的二阶介电张量，相应的二阶逆介电张量的变化为： 必= 雪一反 ( 2 3 4 p o c k e l s 效应引起的逆介电张量的变化为： 庙= 尹雷 ( 2 3 5 ) 其中，尹为线性电光张量，雷为外电场。因此我们可以采用折射率椭球来详 细分析折射率在晶体空间隔方向上的分布情况。 b g o 晶体为各向同性晶体，属于立方晶系，具有三个四次对称轴，这三个 对称轴称为晶体的晶轴，且三个晶轴可互换。b o o 晶体的线性光电张量为： 陟】_ oo0 ooo ooo y a l 0 0 0 7 4 l 0 00 7 4 1 ( 2 3 6 ) 其中托l = 1 0 x1 0 - 1 0 c m v ，是b g o 晶体的光电系数 以x 。、x ：、x ，分别表示三个晶轴，则晶体的折射率椭球在主轴化和无外电 场作用时可表示为： b o l 工i ! + 曰0 2 z ；+ b 0 3 巧2 = 1 ( 2 3 7 ) 在； l - ) j n 电场为零时，b g o 晶体是各向同性的晶体，即： b o = b o l - - = b 0 2 = b 0 3 = 1 ； ( 2 3 8 ) 刀0 为晶体的折射率。因此偏振光从晶体通过后不会产生双折射现象。 当晶体处于在夕i - n 电场中时，晶体受到y 乡, l , ) j t l 电场的影响后，其逆介电常数 1 2 上海大学硕士学位论文 无线光电电压传感器 变为：峨+ b o 驴，由此可得外电场作用下的折射率椭球表达式为： 汹扩+ b o 盯b 一= 1 由此可得： a b l l a b 2 2 a b 3 3 a b 2 3 a b l 3 a b l 2 b l i b o b 2 2 一b 0 2 2 b 3 3 一b 0 3 3 b 2 3 局3 召1 2 其中b o l l = b o l ，b 0 2 2 = b 0 2 ，b 0 3 3 = b 0 3 将上式代入折射率椭球方程得： ( i ，j = l ，2 ，3 ，b 驴是对称张量) ( 2 3 - 9 ) 0o b 。g i ! + 工：2 + ) + 2 毛厂。工。工：= 1 ( 2 3 1 0 ) ( 2 3 1 1 ) 当采用纵向调制的方式时，电场加在晶体的( 0 0 1 ) 即x 3 方向时，e 。= e 2 = 0 ， 此时晶体的折射率椭球方程变为： 或k + z ；+ 石；) + 2 毛而石：= 1 ( 2 - 3 1 2 ) 从式( 2 3 1 2 ) 中可以看到存在交叉项，即新折射率椭球的主轴与旧折射率 椭球的主轴不再重合，而是发生了偏转。设偏转角为口，则相应的坐标变换矩阵 从而得： 刚吊 因此新的折射率椭球方程为： 薯sina口鞫1 c o s 口u x ，l 0 弱i ( 2 3 1 3 ) ( 2 3 1 4 ) 0 ，z ；k 。2 + j ：2 + 戈，2 ) + 2 y 。e ，g 。2 一戈：2 ) ：1 ( 2 3 1 5 ) 由于新坐标系是主轴化坐标系，所以各个交叉项的系数等于零，得： c o s 2 口= s i n 2 口j 口：4 5 。( 2 3 1 6 ) ( 1 甩；烛。2 + j ：2 + 与2 ) + 2 毛k 2 一莺：2 ) = 1 ( 2 3 1 7 ) 1 3 巨易b 1l，卜iiiioij卜j o o o 0 o “ o o o o 以 0 o o 儿o 口 口 出 而屯 一 + 口 口傩抽 倒m 而一而 = = = 工 x z ，、【 上海大学硕士学位论文 无线光电电压传感器 晶体由单轴晶体变成了双轴晶体。 图2 3 1 纵向调制时新旧折射率 椭球主轴的关系 图2 3 2 纵向调制时外加电场与 新折射率椭球主轴的关系 从式( 2 3 1 7 ) 可知：当光沿南方向传播时，通光方向与外加电场方向垂直， 此时可获得最大双折射。当偏振光通过厚度为d 的晶体后，沿方向振动的光和沿 方向振动的光由于其折射率不一样因此在传播速度上也不一样。如图2 3 3 所 示： 图2 3 3p o c k e l s 效应原理图 由此产生的光程差为：n ：一n i p = 刀；y 。e 3 d ，而由此光程差产生的相位差为： 缈= 等g ：1 弦= 了2 7 以；儿。岛d = 等疗；= 万静( 2 3 - 1 8 ) 九 au 其中u 3 = e 3 d 表示晶片两表面之间的电压，u 。为b g o 晶体的半波电压。 因此由理论分析得，我们只要知道相位差，就能计算得到被测电压的大小。 2 3 2 光纤电压传感器光路系统的分析 入射光经起偏器后变成线偏振光，由于晶体的p o c k e l s 效应的作用，线偏振 1 4 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 光射入晶体后，分解为两束线偏振光。这两束线偏振光的传播方向一致，但其偏 振方一向不一致，相互垂直。由于两束线偏振光在晶体中的传播速度不同，随着 光束在晶体中的传播，两束线偏振光的相位差逐渐增大，由晶体出射后，其相位 差达到最大。因偏振方向不一致，它们不能直接产生干涉。为了检测这个相位差， 利用检偏器将这两束折射光的偏振方向变为一致，使其成为同频率、同方向的相 干光束，从而产生干涉【4 7 】。这样就把相位调制光变成了振幅调制光，将相位检 测转变为光强检测。传感头结构图如2 3 - 4 所示，光路器件取向图如图2 3 5 所 - - j - ；o 图2 3 - 5 中，c 快、分别为晶体和波片的快轴方向，p 表示起偏方向，a 表示检偏方向。由琼斯矩阵法可得输出光的光场为： 孝 = m 彳m ，m c m ：m m 。 0 ( 2 3 - 1 9 ) 其中m 彳= i 三三l 为检偏器的传输矩阵， m ，：| c ? y西n 7 为从晶体到检偏器的坐标过渡矩阵 m c ：三p 2 矿 为晶体的传输矩阵， m 矿= l 三p 卅0i 为波片的传输矩阵， m z = 一o s o i i l s p c s 。 n s p j l 为从波片到晶体的坐标过渡矩阵， m ：ic 擘口s l n 口l 为从起偏器到波片的坐标过渡矩阵， l 一9 1 n 口c o s 口l 上海大学硕士学位论文 无线光电电压传感器 0 为从起偏器出来的线偏振光，经过运算可得： ，= i o ( c o s 2y c o s 2p c o s 2 口+ s i n 2y s i n 2p s i n 2 口+ s i n 27 c o s 2f l s i n 2 口+ c 。s 2 厂s i n 2 , a s i n 2c r + 三s i n 妒s t n 2 y s t n 2 口一丢c o s a c p s i n 2 y s i n 2 c o s 2 口，2 3 - 2 。 针对不同的器件取向，讨论几种特殊情况下的得到的干涉光强表达式，从而 找出最佳的测量方案。 当口= 州4 时，从波片出来的是严格的圆偏振光，此时 i = i o ( ，+ s i n 2 y s i na c p ) 2 ( 2 3 2 1 ) 表明：出射光强只与7 有关，而与无关。只需调准口后，通过旋转检偏器就可 以获得最大的检测光强。代入，= + n 4 可得： ，= 1 0 9 _ + s i n a ( p ) 2 ( 2 3 2 2 ) 并且当a r p 1 时，s i n a t p 够，可得：i = j 0 0 土a c , o ) 2 ( 2 3 2 3 ) 将( 2 3 一1 8 ) 代入( 2 3 - 2 3 ) 得： ，= 厶( 1 刀“。) 2 ( 2 3 2 4 ) 出射光信号经过探测器和放大电路后，分离出直流分量与交流分量： = n m o 删“， ( 2 3 - 2 5 ) z , c = ，峨 ( 2 3 2 6 ) 其中r 为探测器的响应度，n 为电路的放大倍数。令g = 吃，则可得： g = 删“。 ( 2 3 2 7 ) 从上式可以看出： 1 ) g 与被测电压成线性关系。 2 ) 在公式中没有发射光的功率项，通过检测g 即可求出被测电压，一般测量原 理便是基于此式。在光纤电压传感器中，1 4 波片的作用是为传感器提供州2 的相移点，从而使传感器工作在线性范围内。但是光源中心的漂移和电压的 波动使得波片的相移偏离州2 ，从而引起传感器输出的长期漂移，即 1 6 上海大学硕士学位论文 无线光电电压传感器 0 = 丌 2 + a o 下面就波片的相差曰及取向角对测量的影响进行探讨： 将口= 州4 ，7 = 万4 ，代入式( 2 3 2 0 ) 可得： ( 2 3 2 8 ) ，= 厶( 1 一c o s 2f l c o s ( 0 + a 伊) + s i n 2f l c o s ( a c p 一0 ) ) 2 ( 2 3 2 8 ) 可以看出，秒与对光强的影响十分复杂，可通过先确定一定的值，再研究目 的影响。在实际中，取0 ，+ x 2 和州4 会比较容易进行光路的装配。将的 几种司能的取值分别代入式( 2 3 2 8 ) 可得： 当p = o 时，= 厶( 1 + s i n ( 缈+ a o ) ) 2 由于护 1 ，故c o s ( a s ) 1 ，于是( 2 3 2 9 ) 可变为： ，= 1 0 0 + s i n 驴+ 9 c o s 妒) 2 由此得到的交流信号为：艺= 厶( s i n 缈+ 9 c o s 缈) 2 理想情况下得到的信号为：l = i os i n a c p 2 其相对变化率为：，= 臼 一砜砑 可见r 与a 0 成正比。 当= + e r 2 时，= 厶( 1 一s i n ( a ( 矽一a e ) ) 2 近似可得：，= i o ( 1 + s i n a c p a o c o s a ( p ) 2 ( 2 3 2 9 ) ( 2 3 3 0 ) ( 2 3 3 1 ) ( 2 3 - 3 2 ) ( 2 3 3 3 ) ( 2 3 3 4 ) ( 2 3 3 5 ) 由此得到的交流信号为：l = i o ( s i n a 妒一a 0 c o s a o ) 2 ( 2 3 3 6 ) 其r 与= 0 时相同。 当= 州4 时，= i o ( 1 + c o s ( a o ) s i n ( a a ) ) 2 ( 2 3 3 7 ) 用泰勒公式展开近似求解得：，= , 0 0 + 0 一目2 2 ) s i n ( 伊) ) 2 ( 2 3 3 8 ) 参照上面可求得 ，= 乡2 2 可以看出r 与日2 成正比，此时相对误差较小。 ( 2 3 3 9 ) 1 7 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 综合上述讨论，可以得出结论：当口= 州4 ，= 州4 和y = 州4 时，可得 到最佳测量结果。由此可得构成光纤电压传感器的基本准则为： ( 1 ) 1 4 波片的快慢轴须与电光晶体的两个本征偏振方向平行。 ( 2 ) 起偏器的偏振方向须与电光晶体的两个本征偏振方向成4 5 。夹角。 ( 3 ) 检偏器的偏振方向须与起偏器的偏振方向垂直或平行。 2 3 3 光纤电压传感器的原理 由上节分析可知，只要求出相位差够，就可确定所要测得电压的大小，然 而要对光的相位变化进行精确的直接测量是极其困难的，通常采用偏光干涉的方 法将相位调制光变成强度调制光进行检测。 理想的b g o 晶体是没有自然双折射、旋光性、热释电效应的，但实际应用 中，由于生产工艺等因素的影响，b g o 晶体不可避免的会含有一些杂质，晶体 内部也有生产加工等过程留下的残余应力，这些杂质及残余应力会在晶体内引起 线性双折射和圆双射( 旋光性) 。另外，环境的变化会使晶体受到来自外部的应力 作用，这些应力作用在晶体内部引起应力双折射。上述双折射在晶体内随机分布， 且随晶体的电压而变，使光纤电压传感器在使用过程中受电压的影响较大，稳定 性不好。 为了解决这个问题，本系统采用了双光路补偿法【4 0 1 。考虑到各类双折射的 影响，从检偏器出射的光强由式( 2 3 2 3 ) 变为： 当检偏器的偏振轴与起偏器的偏振轴垂直时 ，上：，。| - + f 伊+ n a 。o tc o s 2 0 + 2 na 。o , , ts i n2 以兰矽。 乒( 2 3 - 4 0 ) l 一= l一= l舶= l j 当检偏器的偏振轴与起偏器的偏振轴平行时 厶= 厶 - 一( 伊+ 善n a 0 tc o s 2 0 + 2 善na 够ts i n 2 幺薹九) 么( 2 3 - 4 1 ) 缈为p o c k e l s 效应产生的相位延迟，为第n 个线性双折射产生的相位延迟， 屯为第m 个圆双折射引起的偏振面的旋转角，幺为第1 1 个线性双折射的快轴与 1 8 上海大学硕士学位论文 无线光电电压传感器 快轴的夹角。由此可见，由于干扰双折射随晶体的电压变化而变化，输出光强也 会产生变化，传感器的稳定性差。与5 0 h z 的交流被测信号比较而言，式( 2 3 4 0 ) 和( 2 3 4 1 ) 中随电压变化的双折射干扰向可视为直流。利用光电信号处理电路 将式( 2 3 4 0 ) 和( 2 3 4 1 ) 中的交、直流量分离，并用直流分量除交流分量的 有效值，可得检偏器的偏振轴与起偏器的偏振轴平行和垂直两种情况下传感器的 输出信号分别为： ( 2 3 4 2 ) ( 2 3 4 3 ) 利用级数展开得： ( 1 x ) - 1 = l ：t - x + x 2 千工3 + g 1 ) ( 2 3 4 4 ) 将式( 2 3 4 2 ) 和( 2 3 4 3 ) 的分母展开并略去高阶无穷小向得： ，nnm、 g 上= 纠l 一e o s 2 a 。- 2 e a 擘, ，s i n 2 幺九i ( 2 3 4 4 ) n = ln = lm = l ， nnm 、 g = 叫l + 纯，c o s 2 a 。+ 2 纯，s i n 2 幺九l ( 2 3 - 4 5 ) n = ln = lm = l 对以上两式求平均可得： g = 学= a t p = n 万u ( 2 3 - 4 6 ) 上式表明平均后的结果消除了随电压变化的干扰双折射的影响。调整偏振分 光棱镜使其输出的两路线偏振光的偏振面分别与起偏器的透光轴垂直和平行，则 根据式( 2 3 4 4 ) 、( 2 3 4 5 ) 和( 2 3 4 6 ) ，利用传感器的两路输出光信号便可抑 制随电压变化的干扰双折射的影响，提高传感器的稳定性。 图2 3 6 是光纤电压传感器的系统结构图，光发射驱动电路产生恒功率的光 信号，两路光信号经光纤到达探测器，变成电信号，信号处理电路将探测器提供 的电信号进行放大滤波，再经过交直分离电路处理后得被测电压的瞬时值、有效 值。 1 9 一_ 一_ 百删 百删 一幺 一幺 ! 叫等等 磊 i 蒌 一 一 百稍 了删 一， 一厂lll一 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 起偏器 控偏器 图2 3 6 光纤电压传感器的系统结构图 2 3 4 光纤电压传感器的光路系统的设计 2 3 4 1 器件的选择 1 、光纤 单模光纤和多模光纤都可以用于光纤传感系统中。单模光纤具有传输损耗小 的优点，但是由于实际光纤并非纯圆对称光纤，总存在一定的自然双折射，而光 纤中的自然双折射具有明显的电压依赖性，如果用于偏振态调制光纤传感系统 中，就会引起传感器输出的长期漂移，不利于信号的测量。多模光纤色散和损耗 大，但对于短距离测量的低速系统，这两项的影响均可忽略。更为重要的是，与 单模光纤相比，多模光纤芯径大，耦合入光纤的光功率大，便于检测，可以提高 测量的精度。因此，本课题选用多模光纤( 6 2 5 1 2 5 岬) 作为传输介质。 2 、光源 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。由 于光纤传感器的光纤细而长，要使光波能在其中正常传输，并满足测量要求，则 对光源的结构和性能有一定的要求： ( 1 ) l ：h 于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便于与光纤祸合。 ( 2 ) 光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功率。 ( 3 ) 光源发出的光波长应适合，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、噪声低，能在室温下连续长期工作。 ( 5 ) 光源要便于维护，使用方便。 上海大学硕士学位论文无线光电电压传感器 目前常用的光源分为白炽灯、激光器和半导体光源几种。综合考虑上述几方 面的因素，我们采用s l d 光源作为光纤电压传感器的光源。 表2 1s l d 性能参数表 p a r a m e t e rd e v i c em i n t v p m a x s mf i b e ro u t p u tp o w e r f u l ld o w e rm o d e i l l w1 0 s mf i b e ro u t p u tp o w e r i o wp o w e rm o d e m w1 m e a r w a v e l e n g t h ，n m1 5 2 01 5 6 0 1 s 7 0 3d bif w h m ) s p e c t r u mw i d t h 1 3 mf f u l l1 3 0 w e r 4 04 5 r e s i d u a ls p e c t r a lm o d u l a t i o ni n d e x 【o 0 5n ms 15 5 d _ h p 1 g 2 ，o5 o r e s 1 0 o u 臼u ti 3 0 l a b o n b u i l t - i no p t i c a i s o l a t o rf 3 0d b ) f i b e r s m c o r n i n 口s m f ：2 8 o u 臼u tc o n n e c t o rf c ，a p c l o n g t e r ms t a b ii t y ” 。5 s h o r t - t e r ms t a b i l i t y ”。1 3 、光探测器 光探测器是光纤传感器构成的一个重要部分，它的性能指标将直接影响传感 器的性能。