光纖電場傳感器的試驗測試研究

潘生華，肖繼忠

（浙江浙能紹興濱海熱電有限責任公司，浙江 紹興 312072）

0 引 言

電場傳感器之所以能夠在強電磁場環(huán)境中正常工作，最主要原因是電光效應。電光效應是諸如光波導效應、電磁轉(zhuǎn)化效應、普克爾斯效應、克爾效應、壓電彈光效應以及電致光吸收效應[1-2]等一系列效應的集合。電場傳感器由于本身具備靈敏度高、抗干擾性好、性能可靠以及體積小巧等特點，從而加速了它在具體應用領域如電壓互感、電光互感等領域的推廣速度，被廣泛于精密儀器制造、信號傳輸、觀測設備以及風險排查等設備。本文在基于電光效應原理設計出了一款簡單電場傳感器，并針對自主設計的簡單電場傳感器進行測試，測試主要包括基礎測試、封裝性外殼測試、雷電沖擊測試以及抗干擾性測試等內(nèi)容。通過這些測試內(nèi)容一方面驗證電場傳感器的可用性和推廣價值，另一方面驗證設計的合理性。

1 電光效應原理概述

電光效應的概念有很多，按照字面意思理解是指具有物理特性（折光率、反光率等）的透明物質(zhì)在電場作用下反映出的某種光學屬性的現(xiàn)象，即電光效應是在外加電場作用下，物體的光學性質(zhì)所發(fā)生的各種變化的統(tǒng)稱[3]。由于光本質(zhì)上也是一種波，且頻率比電場波高很多個數(shù)量級，因此與光的頻率相比，外加電場的頻率隨時間的變化極慢。換句話說，電光效應是指在電場的作用下，晶體的介電常數(shù)即其折射率發(fā)生改變的效應。

2 基于電光效應原理的電場傳感器試驗研究

2.1 基礎試驗

2.1.1 方 法

首先，試驗準備。由于電場強度與距離電極的距離直接相關，距離越大測量到的電場強度越小，反之越大，因此為了營造不同的電場強度，需要將不銹鋼平板電極與試驗臺之間借助不同高度的具有絕緣性的支柱進行支撐，并將試驗臺平面設置為零電位（或者說叫接地電位），將平板電極設置為高電位，晶體消光長度參數(shù)為5.6 cm，絕對折射率參數(shù)為2，介電常數(shù)（誘電率）為15。

其次，試驗對照。本次基礎實驗分為兩種方法：一種是將晶體置于試驗桌面，兩極板相互距離為25 cm左右；另一種方法是選擇塑料杯為試驗輔助，將晶體放置杯頂，兩極板的相隔距離為45 cm左右，通過測試兩種方法營造的電場強度下電場傳感器的工作狀態(tài)檢驗設計的可用性和合理性。

2.1.2 結 果

靈敏度是電場傳感器最重要的參數(shù)指標，因此該實驗的主要目的是測試電場傳感器的靈敏度。一般來說，晶體介電常數(shù)為15。如果和空氣的接觸面積沒有邊界，那么電場強度大約為原來的1/15。不過，因為晶體尺寸是完全有界限的，并不會存在無限大的情況。同時，電場分布會因為晶體外形的不同而受到較大影響。例如，在一定范圍內(nèi)，晶體體積越小，測量數(shù)值會越準確。

電場強度直接反映了靈敏度，因此只需要測試感應電場強度即可得到靈敏度的度量大小，測試結果如表1所示。將F設為電場強度測量值，F(xiàn)的大小代表了調(diào)制方式差異下的靈敏度。根據(jù)表1數(shù)據(jù)結果可知，晶體大小與F大小存在顯著聯(lián)系，上述結論成立。由普克爾斯效應電光效應導致的偏振態(tài)附加相位差的值Δδ測=U/U0，Δδ1＝ 0.050，Δδ2＝ 0.022，根據(jù)公式Δδ=(2π/λ)n03γEd（其中3γ是為各相導線的場強的垂直分量），即可求得電場強度測量值E分別為30.2和13.0，所以F1＝30.2/194＝0.156，F(xiàn)2＝13.0/112＝0.116[4]。

2.1.3 結 論

通過測試兩組對照樣本發(fā)現(xiàn)，電場強度（即靈敏度）與極板間距程反向關系，間距越大，靈敏度越小。在靈敏度方面造成較大差別的主要原因在于電極附近的電場會發(fā)生畸變，電光晶體能夠捕捉到這種微小的畸變。這也正是基于電光效應原理的電場傳感器的靈敏度體現(xiàn)[4]。不僅如此，電光晶體越小，對畸變的捕捉越細致，靈敏度越高，再次驗證了上文中提到的在一定范圍內(nèi)，晶體體積越小，測量數(shù)值會越準確的結論。

2.2 多種封裝外殼材料的影響試驗結果分析

2.2.1 方 法

將多種存在差異性的材料分別粘貼在傳感頭，主要材料包括有機玻璃板、絕緣板和高強度鋼板，這三種材料的絕緣性和導電性各不相同，通過在同等環(huán)境條件下檢測其電場強度，來分析不同材料的影響結果。

2.2.2 結 果

實驗結果表明，在電場設計、材料尺寸和大小等因素相同的客觀條件下，檢測到的電場強度并不相同，說明不一樣的介電常數(shù)外殼均會對電場系數(shù)存在一定影響性，二者存在顯著相關性。其中，金屬材料的系數(shù)變化為（1.206-0.957）/0.957=26.01%，環(huán)氧板介電材料會造成21.7%左右的系數(shù)變化，系數(shù)變化均不超過30%，且二者差異只有4.31%，反映出鋼板和環(huán)氧板封裝外殼對電場測量系數(shù)影響差別有限。

2.3 雷電沖擊電場測量結果分析

2.3.1 方 法

雷電沖擊測試主要的試驗方法是通過雷電流經(jīng)過氧化鋅避雷器的殘存電壓獲取電流的強度大小[5]。通常來說，沖擊時間約為40 μs，殘存電壓一般在5 000 V。然后通過比較殘存電壓波形和光學電場傳感器捕捉到的波形形狀來分析傳感器的有效性。

2.3.2 試驗結果

具體的試驗數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 雷電沖擊試驗

通過測量發(fā)現(xiàn)，捕捉到的殘壓波形和光學電場傳感器捕捉到的波形呈平行排列，在相同時間點上的形狀基本一致，可以證明測量結果和實際電壓互感器吻合。因此，可以證明通過上述方式獲取雷電沖擊信號具有實際操作意義。

2.4 抗干擾性能測試試驗

抗干擾性能測試的主要前提是在高壓電磁環(huán)境下進行實驗，因為電光晶體介電常數(shù)要相對高于其他，電場強度小。通過測試發(fā)現(xiàn)，由于電光型晶體屬于無源元件，傳感器系統(tǒng)在高強電磁環(huán)境中輸出曲線較為平滑，輸出能力較為穩(wěn)定，而并沒有隨著電磁環(huán)境的改變出現(xiàn)較大變化，因而證明該電場傳感器具有較好的抗電磁干擾性能[6]。

3 結 論

本文從電光效應的原理出發(fā)，通過測試包括基礎測試、封裝性外殼測試、雷電沖擊測試以及抗干擾性測試在內(nèi)的諸多內(nèi)容。來對自主研發(fā)的簡易電場傳感器的可用性和合理性進行驗證。

表1 基礎試驗數(shù)據(jù)

通過測試借助自主設計的電場傳感器對靈敏度、線性度等傳感器的特性[7]進行試驗，并對實驗結果進行分析證明：傳感器在強磁環(huán)境下靈敏度較高，性能較穩(wěn)定，抗干擾能力強，因此具有一定的實際應用意義。