新型線性測量的光纖電壓傳感器概述

摘 要：傳統的電磁式電壓傳感器由于自身技術限制的原因，已經無法滿足當前電網的發展需求了，而基于M-Z的非功能型光纖電壓傳感器的出現改變了這一現狀，但是目前這種光纖電壓傳感器同樣存在一定的問題，本文首先對光強測量模式存在的局限性進行了分析，然后對新的基于M-Z的非功能型光纖電壓傳感器進行了介紹。

關鍵詞：電壓傳感器；光纖；非功能型

1.引言

對于傳統的電磁式電壓傳感器來說，由于技術有限，其安全性以及抗電磁干擾性能較差，同時體積也較大，性價比也不是很高，所以已經很難符合當前電網的發展需求了。相對于傳統的電磁式電壓傳感器，光纖電壓傳感器具有很大的優勢，比如絕緣成本不是很高、電磁抗干擾能力強，同時體積不是很大，具有很高的性價比，另外在原理技術層面上，光纖電壓傳感器也具有較大的優勢。

2.光纖電壓傳感器的現狀

從目前的發展來看，光纖電壓傳感器主要分為兩大類：功能型以及非功能型。對于功能型光纖電壓傳感器來說，其是利用對光的相位變化的檢測從而實現電壓大小的檢測的，對于非功能型光纖電壓傳感器來說，其是利用出射光強的檢測從而實現電壓大小的檢測的，但是對于這一類非功能型的電壓傳感器來說，其檢測的模式測量的范圍不是很大，同時很容易就會受到光源輸出波動的影響，因此存在著很多的缺點。后來科學家研發出了一款基于馬赫-曾德爾干涉原理的非功能型光纖電壓傳感器，對于這種非功能型傳感器來說，其是通過壓電陶瓷的電磁伸縮效應對光纖進行拉伸的，從而把電壓的大小轉化成干涉條紋的位移大小。對于這種原理來說，同樣存在著一定的缺點，其中一個主要的問題就是光線老化，光纖在被拉伸的過程中會形成傳輸損耗。

在本文中介紹一種全新的基于馬赫-曾德爾干涉原理的非功能型光纖電壓傳感器，和之前的電壓傳感器的不同之處在于，其在干涉儀所具有的傳感臂上面安裝了電光調制器，之后傳感器通過電光晶體所具有的Pockels效應把電壓轉變為平移的干涉條紋。之后再對條紋位移的大小進行測量，這樣就能夠測量電壓的大小了。

3.光強測量模式存在的局限性

通過Pockels效應我們能夠得知，對于橫向調制的電光晶體來說，其在一個外加電壓的作用之下，會形成電光相位延遲，其大小為：

（1）

在上面的式子里面，是晶體折射率大小；是晶體線性電光系數的大小；是光源波長的大小；是晶體通光路徑的長短大小；是電場施加方向上面的晶體厚度的大小；是待測電壓的大小；是晶體半波電壓的大小。

一般情況下會認為目前的技術是沒有辦法對電光相位的延遲大小進行直接測量的，所以都是借助偏光干涉，這樣就能夠獲得輸出光強的大小，也就

（2）

在上面的式子里面，是輸出光強的大小，是輸入光強的大小。把的大小控制在一個非常小的范圍里面，那么，可以得到

（3）

（4）

但是這個測量的模式是有下面幾個問題的。

3.1和光功率存在著較為密切的關聯

對于光源輸出功率來說，其和中心波長是具有溫漂的，光學器件的熱脹冷縮效應會造成光耦合的效率出現一定的改變，造成輸出光功率出現一定波動以及損耗，同時還會導致光學器件本身出現溫漂等。對于這些問題來說，會對出射光強的大小造成直接的影響，最終使得測量存在著很大誤差。

以光源來舉例，對于光學電壓互感器來說，其所使用到的光源大多數都是LED，波長的溫度變化系數大小一般是0.2nm/℃，當溫度出現變化的時候，光源的波長就會出現改變，這樣就會造成晶體的電光相位出現一定的延遲。這里我們假定溫度的變化大小會導致出現波長的變化是，那么通過公式（1）就能夠得知當溫度出現變化的時候，所形成的電光相位延遲大小是：

（5）

以一個波長是980納米的光源舉例，在溫度變化的大小是100攝氏度的時候，能夠得出由于波長的變化而形成的相位延遲誤差大小大約是2.0%。

3.2近視線性測量所形成的局限性

對于電光晶體來說，其存在一個固有的特性就是存在半波電壓。為了能夠完成對于電光相位延遲大小的線性測量，一般情況下都是針對于式子（2）取。然后再結合式子（1），便可以得出

（6）

如果是在完全一樣的電場強度的作用之下，對于半波電壓來說，其值越大，那么的大小就越小，這樣能夠有助于對測量范圍進行擴大；而半波電壓的值越小，那么就越大，那么就會有助于使測量的靈敏度得到提升。因此，能夠看得出來，晶體所固有的會讓OVT的測量靈敏度和測量范圍之間具有一定的矛盾。

3.3晶體具有的附加相位延遲所帶來的影響

通常情況下，對于OVT來說，都是采用BGO晶體來作為電壓敏感材料的。對于晶體來說，其在進行熔化或者是加熱的過程中一定會留下倆一定的應力，造成線性雙折射以及圓雙折射，形成附加的相位延遲，這會使得測量的穩定性以及準確性均受到很大的影響。

通過式子（1）對溫度來進行求導計算，能夠得到溫度針對于晶體相位延遲大小的影響為：

（7）

在上面的式子里面，k所表示的是。

對于BGO晶體來說，其線性電光系數的大小，折射率大小，電光效應溫度系數大小。那么溫度針對于晶體相位延遲大小的影響是

（8）

所以，在溫度變化值大小為100攝氏度的時候，就會額外的引入了0.164%的附加相位延遲。

3.4別的一些因素所帶來的影響

對于OVT來說，其在進行運行的時候，一定會存在著熱脹冷縮或者是器件老化等一系列問題，這使得電光晶體以及傳輸光纖會形成隨機的應力雙折射，造成電光相位延遲和附加相位延遲兩者出現疊加，沒有辦法進行區分。并且這些問題同樣還會導致光學器件之間的位置出現一定的偏差，從而造成測量的結果出現一定的誤差。

4.新的基于馬赫-曾德爾干涉原理的非功能型光纖電壓傳感器概述

所謂的新型OVT就是把一個橫向調制的電光調制器安裝在了M-Z干涉儀上面的某一個分支上面，對于光源來說，其所發射出來的光會利用起偏器生成相應的偏振光，之后再進到大小是3db的耦合器分成兩束強度大小是一樣的光，這兩束光會各自進到M-Z干涉儀的兩臂上面。一束通過具有電光調制器一側的偏振光，利用外加的電壓的作用之下會形成電光相位延遲，如式子（1）所示一樣，這兩束光在經過檢偏器之后會生成干涉條紋。對于出射光強以及入射光來說，兩者之間的關系是

（9）

在干涉儀上面的兩臂的相位差的大小符合

（10）

得出的光強的大小是最大的，也就是對應的亮條紋的中心位置。在的大小符合

（11）

得出的光強的大小是最小的，也就是對應的暗條紋的中心位置。伴隨著大小的改變，亮條紋以及暗條紋的位置也是在發生改變的，在的大小是2π的時候，對于條紋來說，其就進行了一個周期的位移。

對于電光調制器來說，其外加的電壓大小從0增大到U的時候，所對應的干涉條紋位置的距離大小是x，那么U是

（12）

這樣對條紋的位移大小x進行測量，就能夠得出電壓U的大小了，從而完成了直接的線性測量，并且對于測量的范圍來說，其不會受到晶體所具有的半波電壓的限制了。

5.結論

本文介紹了一種新的基于M-Z的非功能型光纖電壓傳感器，其通過Pockels 效應把外加的電壓大小轉變成干涉條紋的位移大小，然后利用測量條紋的位移大小完成了針對于電壓大小的線性測量。

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作者簡介

彭武龍（1996—），漢族，籍貫：廣東普寧 職稱：大學生 研究方向：物理學師范。

（作者單位：韓山師范學院）