光路搭建与传感头制作

摘要全光纤电场传感器在电力设备状态监测中具有重要的应用价值。相比于传统的电场测量技术，全光纤电场传感器具有抗电磁干扰强，重量轻，体积小和响应频宽等技术优势。本文基于普克尔效应研制新型全光纤电场传感技术，首先通过几种不同塑料的温度特性对比，选择了成本低，温度特性好的ABS塑料作为传感头模具，并用铌酸锂电光晶体与其他光学元件通过光学五维调节架在模具中制作了传感头，实现了电场信号到光信号的转换；之后设计并制作了传感器输出调理电路实现了输出信号的调制，并用软件PicoScope设计了系统上位机，完成了传感器输出信号采集系统的设计，实现了对传感器输出信号的解调；同时用3D打印技术设计并制作了传感器模具。整个系统完成了对传感测试系统的综合性能测试，实现了对200V/cm～5000V/cm电场强度范围内电场的测量；对系统进行了静态标定，数据结果表明对200V/cm～5000V/cm具有较好的响应结果；最后还额外测试了系统的频率响应，结果表明，不同电场频率下输出放大倍数不同。本文制作的光纤电场传感器精度高，体积小，不受电磁干扰，是一款理想的电场传感器。关键词：光纤；电场传感；传感头；频率响应ABSTRACTAll-fiberelectricfieldsensorhasimportantapplicationvalueinpowerequipmentconditionmonitoring.Comparedwithtraditionalelectricfieldmeasurementtechnology,all-fiberelectricfieldsensorhastheadvantagesofstronganti-electromagneticinterference,lightweight,smallsizeandresponsebandwidth.Inthispaper,anovelall-opticalfiberelectricfieldsensingtechnologyisdevelopedbasedonthePockelseffect.Firstly,thesensorheadisdesignedandmanufacturedtorealizetheconversionofelectricfieldsignaltoopticalsignal.Afterthat,theoutputconditioningcircuitofthesensorisdesignedandmanufactured,andtheuppercomputerofthesystemisdesignedwiththesoftwarePicoScope.Thedesignoftheoutputsignaldetectionsystemofthesensoriscompleted,andthedemodulationoftheoutputsignalofthesensorisrealized.Afterthat,thesensorchassiswasdesignedandmadewith3Dprintingtechnology.Theoverallsystemcompletedthecomprehensiveperformancetestofthesensingtestsystemandrealizedtheelectricfieldmeasurementwithintherangeof200v/cm~5000v/cm.Thesystemisstaticallycalibratedandthedataresultsshowthatithasagoodresponseto200v/cm~5000v/cm;Finally,thefrequencyresponseofthesystemistested.Theresultsshowthattheoutputamplificationisdifferentunderdifferentelectricfieldfrequencies.KEYWORDS:Opticalfiber;Electricfieldsensing;Sensinghead;Frequencyresponse1绪论1.1研究背景与现存问题近年来，伴随着各类高压电气设备、大型电机、各种仪表向着小型化发展，这就要求相关绝缘设计的合理化和精密化。诸如电机端部和高压架空线下电场分布的测量[1];电气密封装置内放电现象的分析[2];超高压输电线路附近离子流场和长间隙辉光放电特性的研究等[3]。因此实现电场的精确测量，高感度检测和安全性检测显得至关重要，各国都在致力于此项研究。然而，目前的各类电场检测方法具有如下不同种类的缺陷：仪器体积太大，比较笨重，使用不方便。非绝缘性。仪器本身是由导体构成，在强电的测量中，使用仪器特别需要注意安全。易受外界磁场和电场的干扰。仪器整体均为导体结构，周围各种干扰信号比较容易以各种途径耦合进入测量系统，使测量结果出现误差，系统稳定性较差。干扰被测场。有源的测量仪器发出的电场或磁场可能会叠加在被测场上，使得被测场发生畸变，从而减少了测量值的正确性和空间分辨率，特别是在近场测量当中。大体积的探头不可用于点式测量。现代电路设计中，往往要对电子设备与外部环境及其内部各个单元电路之间的电磁兼容性进行测量，传统的测量仪器在近场和点式测量中将遇到许多难以克服的困难；在高压电力系统中，传统传感器已无法适应超高压和几千安电流的测量；在军事领域，瞬间强电磁脉冲将严重影响电子设备的正常工作，例如核磁爆产生的纳秒级脉冲电磁场，用传统仪器测量也面临一定困难。解决这些困难毫无疑问需要投入大量的人力物力，相对于测量本身来说性价比太低[4]。1.2发展历史与应用前景自本世纪七十年代LD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新技术迅速发展壮大起来。大多数光纤传感的基本原理是利用物理、化学和生物效应来调制光纤中光波的传输特性，经过信号解调后可以测量许多物理量、化学量和生物量的变化。光纤传感技术具有精度高，稳定性好，不受电磁干扰等优点，这是一般传感器所无法比拟的，光纤传感器的发展应用前景也极其良好，由此世界各国纷纷开展这方面的研究，成果也十分显著，建立了各种光纤传感器较完善的理论模型，在光纤传感器的实用化上取得了巨大的进步。近几年来，光纤传感技术受到美国、法国、中国、英国、瑞士、意大利、荷兰、日本、瑞典等国重视。光纤传感技术可以探测的物理量已有一百多种，并在军事、科技、工业过程控制中取得巨大的成就。早在七十年代，国外就已经开始了光学电压/电场传感器的研究，但是由于产品精度低、温度特性差，皆未挂网运行，仍处于理论摸索阶段；到八十年代中期，此项技术研究取得了突破性的进展，取得了引人瞩目的的成就，多种样机成功挂网运行；九十年代，光纤电压/电场传感器进入实用化研制阶段。1982年日本NKG、日立、东京电力公司先后研制了4000A，300KV的光纤电场传感器；1989年，930KV的光纤电场传感器正式运行；1995年加拿大研制的光纤电场传感器精度达到了0.3%；同年，法国GECALSTHOM公司在美国奥多的Bonneville安装了525KV的组合式光纤电压电流互感器；1997年，ABB公司推出11KV到550KV系列传感器，精度达到0.2%。到目前为止，法国GEC与ABB公司经过十多年的积累，在光纤电场传感器的研制上在世界上处于领先地位。与此同时，在高压、超高压传感技术日趋成熟的同时，专门用于电场测量的传感器也被开发出来，并逐渐向电磁场、高频脉冲场、直流场和弱电场方向发展。其中集成式传感头的研发也是主要的方向之一。紧跟国际形式，国内在光纤电压电场传感器研制上也取得了很大的成绩。电子工业部26所、清华大学、电力科学研究所、上海互感器厂、北京交通大学、华中科技大学和华北电力学院等都开展了光纤电场传感器的研究。很多高压和超高压光纤传感器也已经挂网运行。在弱电场、高频脉冲电场测量上也做了很多工作。清华大学的郭小明等人利用LiNbO3晶体制成了可测电磁脉冲的电场传感器，其波形上升时间5ns，测量精度5%；西北核技术研究所研制的PEMS，其系统可对小空间内的宽频带瞬变电场进行测量，动态范围约60dB，频率响应为0.1Hz-700Hz[4]。1.3测量原理根据固体量子学理论，当有电场加在不对称晶体上时，晶体束缚电荷会重新分布，从而引起晶体物理特性变化，即晶体介电张量的变化，这将导致晶体折射率分布发生一定程度的变化，从而使晶体光学性质发生变化[4]。这种在电场作用下，晶体折射率发生线性变化的现象，即△n=γE，（1-1）叫做普克尔效应（Pockels），也叫一次电光效应。半导体激光器发出的光经光纤经起偏器变为平面偏振光，经λ/4波片获得一光学偏置，电光晶体处于被测电场中，利用电光晶体普克尔效应对光进行电光传感，经检偏器输出，并经光检测器转换为电信号分析处理。如图1-1所示。设光源输入至光纤的光功率为p0，光检测器获得的光功率为P=1/2αP0[1+sinΦ（t）]（1-2）上式中α为光路的衰减系数，Φ（t）为空间相位差或延迟角，与被测电场成正比，由于Φ（t）一般非常小，故令SinΦ（t）≈Φ（t）=kE（t）（1-3）上式中k由电光晶体的材料和结构确定，由此可知，通过检测式（1）光功率的直流分量Pdc和交流分量Pac即可测得待测电场E（t），即kE（t）=Pac/Pdc（1-4）图1-1光纤电场传感器的测量原理图1.4本文研究内容本文选择铌酸锂电光晶体作为传感晶体，光源发出的光按照光纤、起偏器、λ/4波片、铌酸锂晶体、检偏器的顺序通过，输出光经过光电二极管转化为电流信号，再用调理电路经过多级放大、差分、滤波输出可以被采集到的电压信号。之后，用PicoScope软件编写的数据采集程序采集调理电路输出的电压信号。本文对传感器进行了标定实验，即50Hz交流电场频率下0-5000V/cm电场强度的输出电压特性以及系统频率特性，即不同频率的交流电场对输出放大倍数的影响。除上述内容外，本文还研究了不同模具材料的温度特性，以及使用3D打印技术制作了模具。2光路搭建与传感头制作2.1光路搭建的准备准备半导体激光光源一个，保偏光纤准直器（红色），普通光纤准直器一个（白色），起偏器，λ/4波片，铌酸锂电光晶体，检偏器各一个。将起偏器，λ/4波片，铌酸锂晶体，检偏器按照顺序用紫外胶依次固定到模具中心，并将模具固定到光学五维调节架上。将保偏光纤固定在装置左侧，普通光纤固定在装置右侧，如图所示。图2-1光路搭建准备2.2一次电光晶体——铌酸锂2.2.1铌酸锂晶体简介铌酸锂（LiNbO3，LN）晶体是一种集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以利用提拉法生长出大尺寸晶体，而且易于加工，成本低，是少数经久不衰、并不断开辟应用新领域的重要功能材料。目前，已经在红外探测器、激光调制器、光通讯调制器、光学开关、光参量振荡器、集成光学元件、高频宽带滤波器、窄带滤波器、高频高温换能器、微声器件、激光倍频器、自倍频激光器、光折变器件(如高分辨的全息存储)、光波导基片和光隔离器等方面获得了广泛的实际应用，被公认为光电子时代光学硅的主要侯选材料之一。基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂，可以最大程度地利用其有效非线性系数，广泛应用于倍频、和频/差频、光参量振荡等光学过程，在激光显示和光通信领域具有广阔的应用前景，因而成为非常流行的非线性光学材料[5]。2.2.2铌酸锂晶体应用于光电技术中的优势铌酸锂晶体作为一种电光晶体，越来越成为重要的光波导材料，铌酸锂晶体具有显著的线性电光效应，即晶体折射率的改变与所加电场成正比，也叫一次电光效应。选用铌酸锂晶体制作光学器件具有许多优点：1）精度高，稳定性好，光学传感器普遍具有此优点；2）成本低，相对于KDP、BGO等晶体，铌酸锂晶体价格相对要低得多；3）制作方法简单，没有复杂的传感系统，60mm左右的模具即能收纳所有光学器件；4）光吸收小，铌酸锂晶体透光度很高；2.3模具材料的选择2.3.1模具材料要求与准备为了便于传感头制作及应用，模具材料应具有易成型，绝缘性好，价格低廉，-40-70℃不变形，热膨胀系数尽量小。基于易成型、绝缘性好，价格低廉等要求，我们选择塑料作为模具材料。备选材料为聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC、聚丙烯PP、、聚苯硫醚PPS、ABS塑料。聚乙烯PE：作为生活中常见的塑料之一，用于各种电压等级的电线、电力电缆和通信电缆的绝缘和护套材料。是乳白色、半透明的固体，燃烧时与蜡烛一样会熔融滴落。有低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯等品种；聚氯乙烯PVC：聚氯乙烯是目前各种塑料中应用最多的一种。可用作工频低压电缆的绝缘和护套材料，由气态氯乙烯聚合而成；聚丙烯PP：聚丙烯常用于电力电缆和通信电缆的绝缘，以及电容器中的储能介质等，由丙烯单体聚合而成；聚苯硫醚PPS：聚苯硫醚是一种外观白色、高结晶度、硬而脆的聚合物，广泛应用于电子电气零件，精密光电零件，汽车零件以及特殊工业零件与机械零件等；ABS塑料：ABS塑料是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体的三元共聚物。ABS兼有三种组元的共同性能。ABS塑料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业及化学工业中。准备5cm长，底面直径1cm上述5种材料圆柱体各一个，分别测量这些圆柱体在室温、40℃、60℃、80℃、100℃下，长度分别为多少，并计算各种材料的热膨胀系数，从而选择最佳材料制造模具。2.3.2五种塑料的温度特性与选择下表给出了5种材料在不同温度下其长度变化。表2-15种材料在不同温度下长度变化情况材料长度/cm室温40℃60℃80℃100℃PE5.005.005.015.025.03PVC5.005.005.015.025.03PP5.005.005.005.015.02PPS5.005.005.005.005.00ABS5.005.005.005.005.00由图表可知，聚苯硫醚PPS和ABS塑料满足在室温到100℃不变形的要求，综合考虑模具易成型原则及其价格因素选择ABS塑料作为模具材料。ABS是一种外观呈不透明的象牙色颗粒，但是其制品可用着色剂着成各种颜色，与此同时ABS高光泽。ABS吸水率很低，且相对密度约为1.05。ABS的氧指数为在18到20之间，属于易燃聚合物，火焰呈黄色，且带有有黑烟，还发出特殊的臭味。ABS和其他材料的结合性非常好，十分有利于涂层、表面印刷和镀层处理。ABS可以在极低的温度下使用而且有优良的力学性能，其冲击强度极好；ABS的尺寸稳定性好且耐磨性优良，又具有耐油性，因此常常用于中等载荷和转速下的轴承。ABS的耐蠕变性比PSF及PC大，但比PA及POM小。ABS在-40℃时仍能表现出一定的韧性，可在-40到100℃的温度范围内使用。在电学性能方面，ABS的电绝缘性较好，并且几乎不受温度、湿度和频率的影响，可在绝大多数环境下使用。在环境方面，ABS不受无机盐、水、碱及多种酸的影响，不过可溶于醛类、酮类及氯代烃中，在冰乙酸、植物油等物质的侵蚀会产生应力开裂。图2-2ABS塑料展示2.4基于3D打印的模具设计2.4.1SOLIDWORKS软件介绍SOLIDWOKS是达索系统（DASSAULTSYSTEMSS.A)下的子公司，是一家专门负责研发并销售机械设计软件视窗产品的公司，公司的总部位于美国。SOLIDWORKS软件不仅功能强大，而且组件繁多。SOLIDWORKS具有三大特点：易学易用、技术创新和功能强大，这使得SOLIDWOKS成为世界上领先的、主流的三维CAD解决方案。与此同时，SOLIDWOKS还具有能够提供不同的设计方案、并且减少设计过程中的错误以此来提高产品质量的优点。然而功能强大并不是SOLIDWORKS最大的优势，SOLIDWOKS操作简便，容易学容易使用，使得他十分受全球工程师和设计师的喜爱。对于熟悉Windows系统的用户来说，基本上可以直接使用SOLIDWOKS进行设计了。SOLIDWOKS独创的拖拽功能让用户可以在很短的时间内完成各类大型的器件装配设计。SOLIDWORKS的资源管理器同Windows资源管理器一样，都是CAD文件管理器，使用它可以方便并有效地管理CAD文件。根据可靠调查SOLIDWOKS的用户相较于其他机械设计软件的用户能在更短的时间内完成更多的工作，从而更快地制造出高质量的产品，将其投放到市场当中。就目前来说市场上所能见到的三维CAD解决方案中，SOLIDWOKS是设计过程比较简单且方便的软件之一。美国一家著名咨询公司DARATECH评论到：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SOLIDWOKS是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）互相协同下，使用SOLIDWOKS，整个产品设计是可以完全可编辑的，装配设计、零件设计与工程图之间是完全相关的。图2-3SOLIDWOKS软件2.4.2基于SOLIDWOKS软件的模具设计根据前述的电场传感原理图，使用SOLIDWORKS软件设计了下图所示的模具，该模具按照准直器、起偏器、λ/4波片、铌酸锂晶体、检偏器、准直器的顺序依次设计了卡槽。图2-4基于SOLIDWORKS的模具设计2.5传感头制作2.5.1光路对准步骤1）整个操作在光学五维调节架上进行，光学五维调节架除了可以进行X、Y、Z三个方向的平移外，还可以进行俯仰与偏摆的调整，调节架的精度为0.5μm~5μm，十分适合于光学实验这种需要精密调节的实验。图2-5光学五维调节架将呈装有玻片、晶体的模具用双面胶固定在调节架中间，为确保操作时模具不会轻易改变位置，再用紫外胶加固模具两端。将保偏准直器和普通准直器分别用双面胶固定在模具左右两侧，注意准直器一定要正对晶体使得输出功率尽可能大。用分光器将红光光源分成两路，分别接到两个准直器上（红光光源作为可见光便于进行光路对准）。粗对准：取一可透过红光的小纸片放在晶体右端与准直器之间，可以观察到有两个红色光斑，之后尽可能调节五维调节架使得两个光斑重合在一起，具体操作方法如下：先观察纸片上光斑的y轴方向，将纸片分别移动到靠近晶体一侧与靠近准直器一侧，如果在晶体侧y轴方向光斑相距较远，准直器侧相距较近，且准直器发出的光距离眼睛较近，则对五维调节架右侧进行顺时针偏摆调节，若晶体透过的光距离人眼较近，则对五维调节架进行逆时针偏摆调节；同理，若晶体侧y轴方向光斑相距较近，准直器侧相距较远，且准直器发出的光距离人眼较近，则对五维调节架进行逆时针偏摆调节，若晶体透过的光距离人眼较近，则对五维调节架进行顺时针偏摆调节，如图所示。直到纸片在两个位置时，光斑y轴方向距离相同，再调节y轴方向的水平旋钮使光斑在y轴方向距离为零。图2-6y轴光路对准方法同理，光斑z轴方向也是这样调节，将纸片分别移动到靠近晶体一侧与靠近准直器一侧，如果在晶体侧z轴方向光斑相距较远，准直器侧相距较近，且准直器发出的光距离操作台较近，则对五维调节架右侧进行顺时针俯仰调节，若晶体透过的光距离操作台较近，则对五维调节架进行逆时针俯仰调节；同理，若晶体侧z轴方向光斑相距较近，准直器侧相距较远，且准直器发出的光距离操作台较近，则对五维调节架进行逆时针俯仰调节，若晶体透过的光距离操作台较近，则对五维调节架进行顺时针俯仰调节，如图所示。直到纸片在两个位置时，光斑z轴方向距离相同，再调节z轴方向的高度旋钮使光斑在z轴方向距离为零。图2-7z轴光路对准方法精确对准：当无论在晶体与准直器之间怎样移动纸片，光斑都完全重合时，说明光路已经初步对准。之后将左侧准直器接入波长为1550nm的光源（铌酸锂晶体对于这种波长的光较为敏感，灵敏度更高），右侧准直器接光功率计，读出此时光功率计的读数。接下来再调节五维调节架，y轴方向的水平旋钮与偏摆旋钮同时调节，使得光功率计读数达到最大，z轴方向的高度旋钮和俯仰旋钮同时调节，重复这两个步骤，直到光功率计读数达到最大。此时光路已经精确对准。沿着x轴方向向左水平调节右侧五维调节架，使右侧准直器缓慢进入模具中，边向左移动，边重复步骤6，始终保持光功率计读数为最大，直到右侧准直器头部完全进入模具当中；用同样的方法将左边准直器移动到模具当中，此时光路对准完成。2.5灌封成型2.5.1紫外胶简介紫外胶，也被称为紫外线固化UV胶、无影胶。紫外线(UV)肉眼无法看见，是可见光以外的一段电磁辐射，波长一般在10~400nm的范围。紫外胶必须通过紫外线照射才能固化，经常被用来当做粘接剂使用，也可作为油漆、涂料、油墨等的胶料使用。紫外胶固化原理是UV固化材料中的光引发剂（或光敏剂）在紫外线的照射下吸收紫外光后产生活性自由基或阳离子，引发单体聚合、交联和接支化学反应，使紫外胶在几秒钟之内就可由液态转化为固态。紫外胶具有相当多的优点：环保，对环境无污染。紫外胶在使用中没有挥发物；使用方便，快捷。固化速度很快，紫外线照射下，几秒至几十秒即可完成固化，使用起来无需和其他溶剂混合，操作简便，便于拆卸。相较于其他的粘合剂，如环氧树脂，紫外胶固化后的熔点较低，且溶于酒精，使用完毕后可以很容易拆卸。2.5.2灌封操作步骤将紫外胶沿着模具内壁滴到准直器头部两侧，使其自然流下，固化后，调节五维调节架，尽量保持光功率计读数最大，重复滴下紫外胶与调节步骤，直到将头部完全固定在模具内部，灌封完毕。图2-8传感头灌封成型3调理电路设计与制版3.1调理电路设计3.1.1核心器件介绍1）AD8066AD8066放大器是一款电压反馈型放大器，是高性能、高速、FET输入放大器，额定温度范围为-40℃至+85℃ 工业温度范围。这款放大器性能出色、易于使用。AD8066是双路放大器，采用ADI公司的专有XFCB工艺制造，具有极低的工作噪声，而且有非常高的输入阻抗。AD8066具有5V至24V的宽电源电压范围，可以采用单电源供电，带宽为145MHz，适合各种应用。除此之外，该放大器还具有轨到轨输出，这使得其功能更加多样化。然而，尽管成本很低，但AD8066仍能提供出色的整体性能。AD8066放大器的差分增益和相位误差分别为0.02%和0.02°，0.1dB平坦度为7MHz，用作视频应用，十分理想。另外，AD8066具有180V/μs高压摆率、低输入失调电压(1.5mV，预热条件下最大值)、出色的失真性能(1MHz时无杂散动态范围(SFDR)为-88dBc)以及极高的共模抑制(-100dB)。AD8066放大器仅采用每个放大器6.4mA的典型电源电流,却能够驱动高达30mA的负载电流。图3-1AD8066管脚连接图INA157INA157是一个具有高转换速率，且增益G=1/2或G=2的差分放大器组成的精密运放与精密电阻网络。芯片上的电阻是由激光修剪，因此具有较为精确增益和较高的共模抑制比。该芯片优良的TCR跟踪电阻设定保持了其增益精度和共模抑制温度。工作电压为±4V至±18V。差分放大器是许多常用电路的基础。INA157不仅提供了差分功能，而且未使用昂贵的精密电阻网络。INA157采用SO-8表面贴装组件，可在工业温度范围(-40℃到+85℃)范围内进行使用。图3-2INA157管脚连接图REF198REF19x系列精密带隙电压源采用专门的温度漂移曲率校正电路和激光微调高度稳定的薄膜电阻，从而达到非常低的温度系数以及高初始精度。REF19x系列是一种微功耗、低压差(LDV)器件，该器件的输出电压稳定，耗电量小。在休眠模式下，在休眠引脚上的TTL或CMOS输入低电平启用，同时输出被关闭，电源电流进一步降低到小于15mA。REF19x系列电源可在工业温度范围-40℃到+85℃使用。图3-3REF198管脚连接图3.1.2调理电路设计整个调理电路由五部分组成，如图所示图3-4调理电路IU变换放大电路通过传感头的光信号经过光电二极管转换为光电流，输入电流为Ii通过该第一级IU变换放大电路进行第一级放大并由电流变为电压，U=IiR31此处R31取1KΩ，增益 G=1000；图3-5IU变换放大电路负反馈放大电路第二级负反馈放大电路对电压信号再次进行放大，此处R32取200Ω，R33取2kΩ，即增益G=R33/R32=10。图3-6负反馈放大电路差分电路使用INA157差分放大器，经过放大电路输出的信号包含直流分量和交流分量，响应表现出的是交流分量，差分电路用来将信号中的直流分量减掉，从而仅输出所需要的交流量。该芯片采用下图所示接法，增益G=2;（a）差分电路在电路中（b）本电路中INA157接法图3-7差分电路模块电源选用REF198电源为差分放大器负输入端提供直流偏置电压，通过滑动变阻器实现该直流偏置电压大小的调节。REF198输出直流电压为4.096V。R13取5KΩ，故此处输出为0.8-4V。图3-8REF198模块电源低通滤波器最后一级为低通滤波器，主要用来捕捉50HZ左右频率的电压信号，电路中R10=510Ω，R9=1.5KΩ，R11=1KΩ，R12=10KΩ，C1=C2=1μF，增益G=R12/R11=10;图3-9低通滤波器3.2调理电路制版将上述电路中的器件用电烙铁焊接到制好的PCB板上，如图所示，调理电路部分完成。调理电路板正面（b）调理电路板反面图3-10调理电路板4基于PicoScope的上位机设计4.1PicoScope软件简介PicoScope是一款全球领先USB示波器，的与传统的示波器不同，Pico系列示波器可随身携带，体积小重量轻，十分方便。Pico示波器拥有最强大的软件，除了具有传统示波器的功能之外，同时具有频谱分析、逻辑分析和数据记录功能，内置函数发生器和串行总线解码等。根据系统性能要求，PicoScope具有多种类型，本文选用PicoScope9000系列采样示波器。图4-1PicoScope9000系列采样示波器PicoScope9000系列采样示波器采用顺序采样技术来测量快速重复信号。包含一个12

GHz的输入带宽，使之能够捕获上升时间为50

ps或更快的信号。精确的时基稳定性和精度和200fs的分辨率，允许大多数高要求应用项目中抖动的特性。同时该示波器内置高频触发器和频率除法器。它的常规带宽达到10

GHz可测量具有超快数据速率的微波器件。该示波器还内置直接触发器用于达到1GHz重复率的信号而无需附加的触发器。PicoScope9000系列有一个专用的时钟恢复触发输入用于串行数据12.3

Mb/s至2.7

Gb/s。它可快速测量超过40个脉冲参数，因此用户无需数格子数和估算波形的位置。可同时进行10个测量项或4个统计测量项。这些测量项皆符合IEEE

标准。

PicoScope9000系列有一个内置的8

GHz的光电转换器。可用于分析光信号例如SONET/SDH

OC1至OC48,

光纤通道FC133

至FC4250,和G.984.2。

该转换器输入接受单模式(SM)和多模式(MM)光纤，并且波长范围750至1650

nm。PicoScope9000系列同时支持4个所采集波形的数学组台和函数转换。用户可以选择任何数学函数作为一个运算符施予操作数。一个波形的数学运算符是一个数学函数，要求一个或者两个源。包含两个波形源的运算符是：加，减，乘和除。包含一个波形源的运算符是：反数，绝对值，指数，对数，微分，积分，反函数，FFT,插值，光滑函数。4.2基于PicoScope的传感检测系统组建软件在PicoScope中编译好程序后，搭建图4-2所示的检测系统。图4-2 检测系统组建在笔记本电脑中打开PicoScope软件，可以观察到输出电压波形，如图4-3所示。图4-3数据采集卡与上位机5检测系统组建与数据处理传感器制作完成后，将传感器与检测系统组建在一起，检测50Hz工频电场和系统频率响应。本系统成功检测到50Hz工频电场且结果较为满意，但是对于不同电场频率下，传感器系统响应效果较差。5.150Hz工频电场检测完整检测系统由实验室的半导体光源、传感头、调理电路、50Hz工频电压源、PicoScope数据采集卡、运行上位机的笔记本电脑组成。为了使得采集数据和标定实验方便，用告高速示波器代替上位机运行，搭建后的实验平台如图5-1所示。图5-1完整的电场检测系统打开电源前，50Hz工频电压源调到零，打开高速示波器，转动电压源旋钮，从0到250V。50V、150V、250V电压下的动态输出电压曲线如图5-2所示。（a）50V电压下输出电压（b）150V电压下输出电压（c）250V电压下输出电压图5-2实测动态输出电压曲线输出电压动态曲线形态较好，噪声在可以控制的范围内，最小分辨率为25V，调节50Hz工频电压源，记录电压有效值Uin与示波器显示的峰峰值Upp，采集得到5组正反的行程数据，将每组数据分别拟合，计算相关指标。其中一组数据见下表。表5-1电压有效值Uin和峰峰值电压UPP数据表Uin/V255075100125UPP/mV97.08134.23156.14188.17223.16表5-1（续）Uin/V150175200225250UPP/mV253.78264.78300.34330.17355.43表5-1（续）Uin/V225200175150125UPP/mV330.78305.05277.89242.25215.08表5-1（续）Uin/V100755025UPP/mV177.87153.06122.36103.73利用Origin绘制5组数据的折线图5-3，分析并计算各项指标。图5-3输出峰峰值电压随输入电压变化折线图由公式1-2和公式1-3可得，P=1/2αP0[1+kE（t）]（5-1）输出光功率P经过光电二极管和调理电路转换为输出电压U，其比值m为常数，即U=mP（5-2）因此输出与输入电压表现为线关系。输入电压与电场强度成正比，即E=Uin/d（5-3）d为模具宽度，本文中d=1cm，由此得到输出电压与被测电场强度的关系：U=1/2αmP0[1+kE（t）]（5-4）从图中可以看出，第一、第二、第五组数据表现为较好的线性度以及较小的迟滞。分析原因可能是，实际测试过程中，激光光源的功率P0以及偏振态随时间发生波动。5.1.1零位、灵敏度和线性度将五组数据的正反行程曲线分别进行拟合，U1上升部分曲线的线性拟合表达式为U1=1.15E+68.37,表5-2为其拟合残差表。表5-2E与对应U1拟合残差表E/V/cm255075100125△U1/mV-0.048.361.524.811.04表5-2（续）E/V/cm150175200225250△U1/mV12.91-4.841.973.05-0.44根据表达式，得到零位为68.37mV，灵敏度为1.15mV/cm。残差表中绝对值最大的残差为12.91mV，系统线性度用非线性引用误差表示，其计算公式为：(5-5)式中，YF·S为满度值，本实验中取360mV，Lm为最大拟合偏差，即12.91mV，该组数据系统非线性引用误差为3.59%。重复计算求得其余9组曲线的系统非线性引用误差分别为3.86%，3.14%，2.89%，4.86%，4.74%，4.03%，4.77%，3.21%，3.38%。5.1.2迟滞迟滞也称作“滞后量”、“滞后”或“滞环”，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程）两者静态特性不一致的程度。U1中，正行程灵敏度为1.15mV/cm，零位为68.37mV，反行程灵敏度为1.10mV/cm，零位为76.14mV，最大差值出现在E为175V/cm处，最大差值为：mV(5-6）迟滞引用误差形式表示为：(5-7)YF·S为测量系统满度值，本实验中取360mV，计算求得系统迟滞引用误差为2.43%。传感系统迟滞较小，即系统正反行程静态特性较为一致。5.1.3重复性重复性表征测量系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度。其引用误差形式表示为：(5-8)是同一输入量对应多次循环的同向行程输出量的绝对误差，其可以根据标准偏差计算为：（5-9）K为置信因子，取K=2时，置信度为95%，n为测量次数n=5，S为子样标准偏差，可以通过极差法计算，按极差法计算标准偏差公式为：（5-10）为正反行程标定值极差的平均值，五条正行程曲线灵敏度最大值和最小值分别为1.38mV/cm和1.15mV/cm，五条反行程曲线灵敏度最大、最小值分别为1.41mV/cm和1.10mV/cm，为方便计算当E为175V/cm时，取得极差，故：（5-11）(5-12)=()/2=47.25mV（5-13）为极差系数，当测量次数n为5时，其值为2.4