光学电压传感器探头的电场计算与分析

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电场强度和电位(完美解析)

小和方向
电场强度是电位的矢量表示电场强度的大
小和方向
电位与电场强度之间的关系可以通过电场强度公式来描
述
电场强度与电位之间的关系可以通过电位
公式来描述
电位的影响因素
电场强度：电场强度越大电位越高
电介质：不同电介质的电位不同
温度：温度越高电位越高
湿度：湿度越大电位越高
压力：压力越大电位越高
提高测量精度：通过多次测量取平均值、使用高精度仪器等方法提高测量精度
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电位的测量方法
电压表法：使用电压表测量两点之间的电位差
电位计法：使用电位计测量某一点的电位
电桥法：使用电桥测量电位差
电位差计法：使用电位差计测量电位差
测量中的注意事项
确保测量仪器的准确性和稳定性
避免在强电磁场环境下进行测量
保持测量环境的清洁和干燥
确保测量仪器的接地良好
避免测量过程中出现短路或断路现象
电场强度E的应用：电场强度E在电磁学、电子学、通信工程等领域有着广泛的应用。
电场强度与电场力的关系
电场力：电荷在电场中受到的力与电场强度和电荷量有关
电场强度：描述电场强弱的物理量单位为伏特/米（V/m）
关系：电场强度越大电场力越大
应用：电场强度和电场力的关系在电磁学、电子学等领
域有广泛应用
确保测量数据的准确性和可靠性
测量误差的分析与减小方法
测量误差的来源：仪器误差、环境误差、人为误差等
减小测量误差的方法：选择高精度仪器、控制环境因素、提高操作技能等

基于BP神经网络光学电压传感器温度补偿技术的研究与Labviwe软件的实现

摘要:针对泡克耳斯(Pockels )效应光学电压传感器中温度补偿问题,在双光路硬件补偿的基础上,提出一种基于BP 神经网络的软件补偿方案。

该方案利用BP 神经网络算法训练出在不同环境温度下传感器输出电压值与实际测量电压值之间的映射关系,并通过引入虚拟仪器技术在Labview 软件开发平台中调用Matlab 进行信号的处理与分析,提高了系统的可视性。

仿真结果表明,系统采用神经网络温度补偿后,大大提高了光学电压传感器的稳定性和精确度。

关键词:光学电压传感器;温度补偿;双光路补偿;BP 神经网络;Labview 软件;Pockels 效应中图分类号:TP212.1文献标志码:A 文章编号:1673-4343(2019)04-0033-08Research on Temperature Compensation Technology of Optical Voltage Sensor Based on BP Neural Network and Labview Software Realization HUANG Yan(Electronic Engineering Department,Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,China )Abstract:To solve the temperature compensation problem in Pockels effect optical voltage sensor,a software compen-sation scheme based on BP neural network on the basis of double optical circuit hardware compensation is proposed.In this scheme,BP neural network algorithm is used to train the mapping relationship between the output voltage of sensor and the actual measured voltage under different ambient temperatures.By introducing virtual instrument technology to call MAT-LAB in Labview software for signal processing and analysis,the visibility of the system is improved.The simulation results show that the stability and accuracy of the optical voltage sensor are greatly improved by using neural network temperature compensation.Key words:optical voltage sensor;temperature compensation;double light route compensation;BP neural network;labview software;Pockels effect 基于BP 神经网络光学电压传感器温度补偿技术的研究与Labviwe 软件的实现黄艳(漳州职业技术学院电子工程学院,福建漳州363000)收稿日期:2019-04-28作者简介:黄艳,女,福建闽清人,讲师。

光学电场传感器的仿真与实验研究

光学电场传感器的仿真与实验研究张朕搏;李岩松;张敏;刘君【摘要】传统电场传感器中的金属设备会对被测电场产生影响,导致测量精度下降,为此设计出光学电场传感器.本文在有限元分析软件Comsol中使用晶体微元建立了Pockels效应的模型,从微观的角度阐述Pockels效应,得到了仿真结果,并搭建了实验平台,实验晶体在频率50Hz、电场强度0～8×105V/m条件下进行测试,验证了仿真结果,输出与输入有良好的线性关系.本文所进行的研究可为以后光学传感技术的发展提供基础.【期刊名称】《电气技术》【年(卷),期】2017(000)010【总页数】5页(P27-30,35)【关键词】光学电场传感器;Pockels效应;Comsol仿真【作者】张朕搏;李岩松;张敏;刘君【作者单位】华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206;华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206;华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206;华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206【正文语种】中文电子式传感器在电网自动化中具有广泛的应用[1-2]，基于Pockels效应的光学电场传感器是一种新型电场测量传感器，相比于传统的基于电磁学原理的传感器，其具有体积小、传感元件对被测电场的影响小、绝缘效果好、动态范围大、响应速度快、传感信号失真小、无磁饱和等诸多优点[3-4]，有望在电力系统高压电场测量中成为主流产品。

目前，对于光学电场传感器的研究主要集中在如何提高其稳定性及测量精度。

为了提高传感器测量精度，首先仿真了光波在锗酸铋（Bi4Ge3O12，BGO）晶体中的传播情况，有助于对Pockels效应产生比较直观的理解。

在信号处理方面，利用卡尔曼滤波能够有效滤除噪声，提高测量精度。

对光学电场传感器进行试验研究，结果表明，所设计的传感器输出信号与所加电场有良好的线性关系。

当晶体处于电场中时，内部电荷会重新分布，从而产生电光效应。

光纤电压传感器光学头的设计和性能测试

第28卷　第5期2006年5月武　汉　理　工　大　学　学　报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.28　No.5　May 2006光纤电压传感器光学头的设计和性能测试张学明1,江　源2,江　军1,黄　鹰1,陈海清1(1.华中科技大学光电子工程系,武汉430074;2.华中科技大学武昌分校2系,武汉430064)摘　要:　介绍了电压传感头的工作原理,探讨了横向电光调制和纵向电光调制各自的特点;设计了光纤电压传感器中光学传感头的系统结构,从B G O 晶体和相应的装调工艺等方面分析了影响光学传感头稳定性的关键因素。

并在0～1.6kV 电压范围对所设计的光纤电压传感头的输入输出特性进行了测试,结果表明该光纤电压传感头的电压测量精度达到2%,温度稳定性也得到了明显改善。

关键词:　波克尔效应;　光纤电压传感器;　稳定性中图分类号:　O 436.4文献标志码:　A 文章编号:167124431(2006)0520113203Design and Characteristics Measurement of Optical Sensorof Fiber 2optic Voltage T ransducerZHA N G X ue 2mi ng 1,J IA N G Y uan 2,J IA N G J un 1,HUA N G Yi n 1,CH EN Hai 2qi ng 1(1.Department of Opt 2electronic ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China ;2.Department Ⅱ,Huazhong University of Science and Technology Wuchang Branch ,Wuhan 430064,China )Abstract :　The working principle of voltage sensor was introduced.Each characteristics of transverse electroo ptic modulation and longitudinal electrooptic modulation were discussed.The system construction of fiber 2optic voltage transducer was designed.Stability of influencing fiber 2optic voltage transducer were analyzed from key factors of B G O crystal and installation and adjust 2ing techniques.And also measured in put 2output characteristics of designed voltage sensor from 0kV to 1.6kV voltage range.Result indicated 2%of voltage measuring accuracy of the fiber 2optic voltage transducer were obtained ,and the tem perature sta 2bility was improved.K ey w ords :　pockels effect ;　optical voltage transducer ;　stability收稿日期:2005212205.基金项目:电子部八所合作项目.作者简介:张学明(19682),男,讲师.E 2mail :optzhang @1　电压传感器工作原理及其调制方式的比较1.1　工作原理在一块2端面平行的双折射晶体的入射面输入一束单色平行光束,双折射晶体的折射率会有随外加电压的变化呈线性变化的波克尔电光效应发生。

第三章光生伏特传感器

定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化dΦ）引起电流变化dI与辐射量变化之比。
dI ηqλ Si = = (1 − e −αd ) dΦ hc
（4-3）
显然，当某波长λ的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光电转换特性的线性关系。必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长λ的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时通常定义其峰值响应波长的电流灵敏度为光电二极管的电流灵敏度。在式中，表面上看它与波长λ成正比，但是，材料的吸收系数α还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应光谱响应。光谱响应
2 雪崩光电二极管
PIN光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度，为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极管，使光电二极管的光电灵敏度提高到需要的程度。
1）.结构
图4-7（a）所示为在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构；图4-7（b）所示为在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构的雪崩光电二极管；图4-7（c）所示为PIN型雪崩光电二极管。
光谱响应
光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。图4-5为几种典型材料的光电二极管光谱响应曲线。典型硅光电二极管光谱响应长波限为 1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值响应波长为0.9μm左右。
3.1.2光敏二极管的基本特性
光敏二极管的基本特性包括光谱特性、光敏二极管的基本特性包括光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性、响应特性等。安特性、光照特性、温度特性、响应特性等 1光谱特性：光谱特性：光谱特性光敏二极管在人射光射度一定时，光敏二极管在人射光射度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。化而变化。一种光敏二极管只对某些波长的人射光敏感，人射光敏感，这就是它的光谱特性

球形电场传感器测量原理及其电场畸变效应分析

参考文献
[1] 卢斌先 , 王泽忠 , 李成榕 , 丁立健 , 王伟 , 王景春 . 500kV 变电站开关操作瞬态电场测量与研究[J]. 中国电机工学报, 2004, (04): 133-138.
DOI:10.13882/ki.ncdqh.2018.08.006
运行维护
球形电场传感器测量原理
及其电场畸变效应分析
郑庆阳，阮召安
（国网浙江平阳县供电有限责任公司，浙江平阳 325400）
摘要：简述了电场测量的基本方法及技术，介绍了球形电场测量传感器的理论依据及测量方法，同时对球形探
头的电场畸变效应进行了仿真分析，根据 Ansoft Maxwell 电磁场仿真软件对探头的畸变效应进行仿真，得出为
可以了解站内的电磁环境，从而为电磁干扰的防护提供有力的依据[1]。
关于电场的测量，国内外学者曾提出了很多的方法。有基于电位分布进行测量的小球法、电容充电法，有根据 Pockels 光学效应或者 Kerr 效应的光电效应法[2] ，以及电荷感应法等。根据以上电场测量理论，先后研制出了多种电场传感器。有基于电荷感应原理，利用接地导体片对电场的屏蔽作用，使感应电极交替暴露在外电场中进而检测电场强度的三维传感器；有由电场天线和光发射机组成，配合光纤传输系统构成的平行板型三维脉冲电场传感器；以及基于
1 球形电场传感器测量原理
备周围电场强度，有助于发现缺陷，同时为优化结构
提供必要的依据；在电磁技术中，电场测量可为许多
球形电场测量系统的探头由空心球体和测量电
复杂的电场环境提供实测数值；电场测量还可用于检容 Cm 组成，它从结构上说是一个电容式探头[4]。本文测电气、电子设备对外界的电磁干扰，以便设计相应首先讨论一维情况，如图 1 所示。

基于电致发光效应的光学电压传感器

㊀㊀收稿日期：２０１５０９０７；修订日期：２０１５１０１３㊀㊀基金项目：北京卫星环境工程研究所创新基金资助项目ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔｏｆＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳａｔｅｌｌｉｔｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＬＩＣｈａｎｇｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｉｑｉ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）ｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：ｃｌｉ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎＣＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｎｓｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｍａｉｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｖｏｌｔａｇｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔｅｆｆｅｃｔａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｔｏｂｅ，ａｎｄｓｏｍｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｐｉｃｓａｒｅａｌｓｏｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｏｌｖｅｄｆｏｒｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｖｏｌｔａｇｅｓｅｎｓｏｒａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔｖｏｌｔａｇｅｓｅｎｓｏｒｉｓｎｏｎｅｅｄｏｆｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｔｈｕｓｉｔｉｓｆｒｅｅｆｒｏｍｓｅｎｓｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍ，ｉｔｈａｓｓｉｍｐｌｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｓｍａｌｌｓｉｚｅ，ａｎｃｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｕｎｓｔａｂｌｅｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙｌｏｗｗｅｉｇｈｔ，ａｎｄｌｏｗｃｏｓｔ，ａｎｄｔｈｕｓｉｔｉｓｅａｓｙｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｅｒｃｏｓｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｐｉｃｓｍａｉｎｌｙ，ｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｉｎｃｌｕｄｅｈｏｗｔｏｐｒｏｐｅｒｌｙｓｅｌｅｃｔｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｄｅｖｉｃｅｓ，ｅｔｃ．Ｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｖｏｌｔａｇｅｓｅｎｓｏｒｈａｓｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｒｅｍｉｄｉｔｙｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｅｎｓｏｒｓｅａｒｃｈａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｖｉａｔｉｏｎ，ａｎｄｓｐａｃｅｃｒａｆｔ，ｅｔｃ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｖｏｌｔａｇｅｓｅｎｓｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｅｆｆｅｃｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ；ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔ效应的光学电压传感器㊀㊀㊀㊀㊀㊀李长胜，

雷云电场传感器的标定方法

雷云电场传感器的标定方法李迪飞;毕武;张明远;王力峰【摘要】介绍了电场测量传感器的标定原理和方法,进行误差分析并给出提高标定精度的措施.所设计的雷云电场传感器标定电场的范围为10V/m～50kV/m,标定误差小于±5%.在我国目前尚未建立电场专业标准的情况下,通过设计的电场标定系统可对电场传感器进行标定校准,为电场测量数据的准确性提供依据.【期刊名称】《林业机械与木工设备》【年(卷),期】2010(038)002【总页数】3页(P37-39)【关键词】电场传感器;电场标定;误差【作者】李迪飞;毕武;张明远;王力峰【作者单位】国家林业局哈尔滨林业机械研究所,黑龙江哈尔滨,150086;中国林科院林业新技术研究所,北京,100091;国家林业局哈尔滨林业机械研究所,黑龙江哈尔滨,150086;中国林科院林业新技术研究所,北京,100091;国家林业局哈尔滨林业机械研究所,黑龙江哈尔滨,150086;国家林业局哈尔滨林业机械研究所,黑龙江哈尔滨,150086【正文语种】中文【中图分类】TN2191 标定原理电场标定要在一个已知数值的均匀电场中进行。

根据处于不同电位的两块相互平行、且有无限尺度的导电板之间存在均匀电场的原理，在两块距离为一定的平板电极之间加上一已知的稳定电压便成为一基本的电场标定装置，其原理示意图如图1所示。

平板间电场的大小可表示为：式中：V为加在两极板间的电压（V）；L为两极板之间的距离（m）。

被标定的传感器放在C的位置，并使其接收面与B板的内表面平齐。

改变两极板间的电压大小就改变了电场值，从而使传感器输出信号数值发生变化，据此即可得到不同电场值E所对应的传感器输出信号大小曲线——标定曲线。

图1 电场标定装置原理示意图2 误差分析与设计本装置要求标定电场的范围在10V/m～50kV/m之间，标定误差小于±5%。

影响本装置标定精度的因素除式（1）中的V和L外，因式（1）本身是建立在二块无穷大平行板的理想情况下，而实际的平行板尺寸是有限的，因此会因边缘效应的影响而产生误差。

电场和电势差的计算和测量技能掌握

景
电势差表征电场能量
电势差大小反映了电场中电荷的
能量状态
电势差的数值计算与实际应用
01 数值计算案例
利用数学方法计算电势差的具体数值
02 实验验证
通过实验方法验证电势差的测量结果
03 应用分析
电势差在电场理论和工程应用中的重要性
电场模拟软件的应用
借助电场模拟软件，可以直观地展示电场在空间中的分布情况，方便学生理解电场的特性。通过模拟软件的使用，可以快速掌握电场的基本规律和计算方法。
电场和电势差的实验技巧
电场测量实验的操作步骤
准备实验设备设置电场参数记录测量数据
电势差测量实验的注意事项
保持稳定的连接避免干扰源校准测量仪器
实验中可能遇到的问题
电场漏电测量误差设备故障
电场显微镜应用案例
生物学研究
研究细胞结构和功能
材料科学
观察材料微观结构
医学诊断
辅助医生进行病理学诊断
不同电荷产生的电场叠加时，按照叠加法则计算总的电场强度方向与大小由各个电荷的作用决定
对称电场
相同电荷分布对称时，易于利用叠加原理简化计算可以减少误差，提高计算效率
实际应用
在电场模拟和电场实验中经常使用电场叠加原理能够快速准确地计算复杂场景下的电场情况
点电荷产生的电势差计算
电势差是电场的重要性质，通过点电荷带来的电势差计算，可以理解电场在空间中的分布规律。根据电势和距离的关系，可以精确计算电势差的值。
电场和电势差理论的进展
新理论模型
电场和电势差的最新研究成果
相对论中的应用
电场和电势差在相对论领域的应

光电集成电场传感器的论述

光电集成电场传感器的设计应用、改良、或维护等等即可，内容不要很多，20多页即可。

摘要在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。

由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。

这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。

基于光电集成技术的电场传感器具有良好的抗电磁干扰能力和很快的响应速度。

为了能够测量高电压电力系统中的瞬变电场，该文在基于光电集成技术的电场传感器工作原理的基础上，提出了一种适用于强电场测量的光电集成传感器设计方案。

该文将电场传感器分解为调制器和偶极子天线，给出了传感器的等效电路，分别计算了调制器和偶极子天线的参数，最后对电场传感器传递函数的幅频特性及最大可测电场进行了计算。

分析计算的结果表明，所设计的电场传感器最大可测电场幅值接近lO6V／m，同时具有较好的频响特性。

关键字：光电效应光电元件光电特性传感器分类传感器应用电场传感器SummarThe rapid development of science and technology in the modern society, human beings have into the rapidly changing information era, people in daily life, the production process, rely mainly on the detection of information technology by acquiring, screening and transmission, to achieve the brake control, automatic adjustment, at present our country has put detection techniques listed in one of the priority to the development of science and technology. Because of microelectronics technology, photoelectric semiconductor technology, optical fiber technology and grating technical development makes the application of the photoelectric sensor is growing. The sensor has simple structure,non-contact, high reliability, high precision, measurable parameters and quick response and more simple structure, form widely applied in photoelectric effect as the theoretical basis, the device by photoelectric material composition. Based on the photoelectric integration technology electricfield sensor possesses excellent anti electromagnetic interference ability and soon response speed. In order to be able to measure the high voltage power system transient electric field, this paper based on the photoelectric integration technology in the electric field sensor based on principle of work, this paper puts forward a kind of suitable for strong electric field measurement photoelectric integrated sensor design. This paper will field sensor is decomposed into modulator and dipole antenna, given the equivalent circuit, sensor was calculated respectively modulator and dipole antenna parameters, finally to electric field sensor transfer function of amplitude frequency characteristics and maximum measurable electric field were calculated. Analysis shows that the design of the electric field sensor (maximum measurable electric field amplitude close to lO6V/m, and has better frequency response characteristics.Keywords ：Photoelectric effect optoelectronicsPhotoelectric characteristicsSensor classificationSensor applicationsElectric field sensor目录一光电传感器基本知识1、光电传感器的概述2、光电传感器的原理2、1光的性质2、2光源2、3光纤型二光电元件及特性1、光电管2、光电倍曾管3、光敏电阻三、光电传感器四光电转换器1、光电转换器2、线缆选型2.1光缆的选择2.2双绞线的选择五传感器的分类1、标准光电传感器2、安全光电传感器3、门控光电传感器六光电传感器特点七传感器的静态特性八传感器的动态特性九传感器的线性度十传感器的灵敏度十一传感器的分辨力十二传感器的迟滞特性十三内光电效应1、半导体的内光电效应十四外光电效应1 、外光电效应定义十五生伏特效应1、价带2、导带3、能带十六 PN结光伏效应的应用1、太阳能电池2、光电探测器十七光生伏特效应1、光电伏特效应概述1.1P-N结1.2光生伏特效应1、3光电伏特效应的应用1、4光电伏特效应与光电池1、5光电池基本特性的种类十八光电传感器的作用十九创新应用举例1、测温功能2、火焰探测报警器3、光控大门4、烟尘浊度监测仪5、光电池在光电检测和自动控制方面的应用结论 53致谢 54参考文献 55一光电传感器基本知识光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

光电压传感器

光电压传感器1光电压传感器原理光波是一种横波，它的光矢量与传播方向垂直。

如果光波的光矢量方向不变，大小随相位改变，这样的光称为线偏振光；如果光矢量的大小不变，而方向绕传播方向均匀的转动，这样的光称为圆偏振光；如果光矢量和大小都在有规律的变化，且光矢量的末端沿着一个椭圆转动，这样的光称为椭圆偏振光。

在电场（或电压）的作用下，一些本身没有双折射现象的材料会产生双折射效应，使光波的两偏振分量之间出现相位差，这就是电光效应。

检测出相位差，就可以计算出电压或电场强度的大小。

由于相位较难测量，故一般利用偏光干涉原理将相位调制转化为强度调制，传感器输出光强的大小即能反映被测电压，这就是光电压传感器测量电压的基本原理。

光电压传感器的检测原理类似于光电流传感器，由一个1/4波长板和两个偏振器组成的偏振检测系统将普克尔斯偏振调制转化为强度调制。

普克尔斯晶体纵向外加电压u（t），离开晶体的偏振光强度可用下式表示：Array 式中： P0——输入光强度； K——普克尔斯灵敏度常数。

通过测量偏振光强度、输入光强度，我们就可以计算得到外部施加电压（即被测电压）。

注：1、某些透明的光学介质在外加电场的作用下，折射率会随外加电场线性变化。

这种现象就是普克尔斯效应或线性电光效应。

2、光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象，它们是振动方向互相垂直的线偏振光。

光在非均质体中传播时，其传播速度和折射率值随振动方向不同而改变，其折射率值不止一个。

光波入射非均质体，除特殊方向以外，都要发生双折射，分解成振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏振光，此现象称为双折射。

2光电压传感器应用优势及局限01 02应用优势 1、光电压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，由于采用了光纤传送信号，抗电磁干扰能力强。

2、无铁心和线圈，不存在磁饱和、铁磁谐振问题，消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使得互感器运行的暂态响应好，不会因磁饱和而导致大电流时检测灵敏度的下降，稳定性高保证了系统运行的高可靠性。

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测量电压
体小５ｘｌ０，外切圆为中５ｘ１０的八边形晶体；平板电极５ｘ５０ｘｌ００，距离晶体中心５０ｎｕｎ，圆弧电极厚度、距离与平板电极相同，起止位置－４５－４５０；所加电压
为１０ｋＶ，如图３所示。４．１平板电极下的电场分析
的外加电场一与通光方向垂直。纵向调制使被测电压全部加于光学晶体上，实现了真正的全电压光学测量，但晶体必须足够长，以满足一定电压等级的绝缘要求，而且，必须在晶体两端镀导电透明薄膜，或做成极精巧的网状电极，这种结构增加了制作工艺的
难度。横向调制探头工艺较为简单，而且通过改变极板间距离，填充介质等方法可以达到测量不同电压
为待测电压；＝Ａ，Ｕｄ为半波电压。电光调制原
理如图１所示。
ｎｏ＂ｙａｊ ‘
光源起偏器１／ａ波片ｅｃｏ晶体（横向调制）检偏器
图１电光调制原理图
算分析了传感器探头的方形、八边形和圆形晶体分别在平板
电极和圆弧电极中的电场分布。模拟计算结果得出，采用不同形状的电光晶体和电极组合可以改善晶体内外电场分布的均匀性，减弱电场的集聚效应，从而有效地提高耐压和测
量的稳定性及准确度
可以测量直流电压和瞬态电压（脉冲电压、冲击电压），它还具有非常宽的频带，与光纤传输网联网可以实现遥测和遥控，易满足小型化、智能化、多功能的要求，是传统的电压测量设备所无法比拟的。
线偏振光的相位差为：
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｈｅｏｙｒａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｖｏｌｔａｇｅ
ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｉｓｉｎｔｏｒｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅ
唐怒，李仰平，耿
〔西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室．
西安７１００４９
ＥＬＥＣＴＲＩＣ－ＦＩＥＬＤＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮＡＮＤＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＴＨＥＳＥＮＳＯＲ
ＩＮＯＰＴＩＣＡＬＶＯＬＴＡＧＥＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ
叫。｝。１（口）（Ｏ）（。）
（ａ）平板电极模型（ｂ）圆弧电极棋ｆ１
图３计算模型示意图来自采用平板电极，对方形、八边形和圆形截面柱状晶
ＯＶ结构示意图
图２的前３种是电容分压式结构，这种结构的缺点：一是没有充分体现光学传感的优越性，二是电容分压器长期运行会引进额外的测量误差。后两种结构紧凑，直接测量高压，便于工业化生产，是目前ＯＶＴ结构的主要发展方向］。２１
４ＯＶＴ探头电场的模拟计算
目前，作为ＯＶＴ核心的电光晶体的电压调制方
式有两种，即纵向调制和横向调制。纵向调制是指晶体的外加电场与通光方向一致；横向调制是指晶体
关钧词：光学电压传感器；电光效应；电场分布
中圈分类号：ＴＭ４５１．７文献标识码：Ａ
２光学电压传感器基本原理
目前研究的光学电压传感器大多基于线性电光效应（Ｐｏｃｋｅｔｓ效应），其基本原理是：电光晶体（例如ＢＧＯ晶体），在没有外加电场作用时是各向同性的；而在外加电场作用下，晶体变为各向异性的双轴晶体，从而导致其折射率和通过晶体的光偏振态发生变化，产生双折射Ｉｔ，若外加电场沿折射率椭球的（１００）方向，而人射光的方向是（０１１），则出射的两束
时输出的光强度为：
１＝Ｉｏｓｉｎ＇等＝１０・ ‘ ・ ’ ‘ 爵，
式中：１为输出光强，１０为输人光强。
（２）
此时的响应是非线性的。在Ｂ可以看出，ＧＯ晶体与检偏器（或起偏器）间插人一个＾／４波片。使偏振光的两个分量产生ｉｒ／２的固定相移，这时，系统总的相应延迟为（＇ｆｒ／２＋Ａ（ｐ）。这时，（２）式变为：
由（１）式可知，只要测出两束偏振光的相位差多年来，人们一直在研究以光学电压传感器（ｏｐｔｉｃａｌ０ｐ，，就可以得出被测电压Ｕ的大小，这就是基于ｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，简称ＯＶＴ）替代传统的电压互感Ｐｏｃｋｅｌｓ效应测量电压的原理。但根据目前的测量技器。ＯＶＴ利用光纤完成信号的传输，利用电光晶体术，要对相位差做准确测量几乎是不可能的，故采特定的物理效应传感电压，既可以测量交流电压，也
ＴＡＮＧＳｈｕ，ＵＹａｎｇ－ｐｉｎｇ，ＧＥＮＧＢｏ
（Ｘｉ＇ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｓｒｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ
摘要：概述ｒ光学电压传感器的原理与结构类型，并着重计
ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ＯＷ＝三：生Ａｎ＝牛ｎｎ＇Ｙａｔ斗Ｕ＝７ｒ－井价＾一Ａ一 ” ‘ ”ｄ－一从
２７ｒｌ‘ ｍ，＿ｌ，＿Ｕ
３ＯＶＴ的主要结构类型
国内外研制的Ｏ到目前为止，ＶＴ主要有图２所示的几种结构类型。图２（ａ）通过光学电流传感器测
量流过电容分压器的电流，而间接测量电压；图２（ｂ）和（（ｃ）都是通过电容分压器从被测高压端分出一较低的电压加于光学电压传感器上，不同之处在于图２（ｂ）是从电容分压器的低压端取电压，图２（ｃ）是从高压端取电压；图２（ｄ）的光学电压传感器通过一接地金属管置于上金属帽中，通过测量光学晶体处的电场间接测量母线电压；图２（ｅ）的光学电压传感器通过上下金属管置于绝缘子中间，采用纵向调制
Ｓｏｔｈｅｗｉｔｈｓｔａｎｄｖｏｌｔａｇｅａｎｄｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｙｔａｎｄｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃｏｕｌｄｂｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｅｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｐｏｃｋｅｔｓｅｆｅｃｔ；
１６－Ｊｕｎｅ２００３
ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＡｐｐａｒａｔｕｓ
Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．３
文，绷号：１００１－１６０９（２００３）０３－００１６－０２
光学电压传感器探头的电场计算与分析
，一，。 ” ，，，、万十２Ｕ’ －
ｕ一从
性响应
１＝于二衬、１宁 —
ｒ：叮＇ＩｒＵ、＿
（３）
在下一＜］的情况下取一阶近似，＜可得到线
１，．ａｒｕ、Ｊ
２Ｕ
（４）
从（４）式得出，利用Ｐｏｃｋｅｌｓ效应和偏光干涉原理构成的系统，可获得强度受外加电压或电场调制的光。
等级的要求。因此，以横向调制为基本模式。
ＯＶＴ探头电场分布的不均匀性，特别是电场的畸变和集聚效应，不仅要求绝缘结构设计裕度更大，而且因此产生的电晕和放电将引人很大的噪声，严重影响测量的准确度和稳定性。所以对探头电场分布进行计算分析和结构优化设计是非常必要的。光学电压传感器探头中普遍使用的电光晶体是
（１）
式中：Ａ为光波波长；ｎｏ为晶体折射率；Ｙｎ，为晶体电光系数；ｌ为在晶体内的通光长度；；ｄ为晶体厚度；Ｕ
１引言
电压互感器在电力系统中具有广泛的应用，是电力系统最基本的测量设备之一。随着电力系统电压等级的提高，传统的电磁感应式和电容分压式电压互感器绝缘结构日趋复杂，体积大，质量大，造价高，存在诸多缺点。为满足高电压等级测量的需要，
妮酸锉（ＬｉＮｂＯ，）或锗酸秘（Ｂｉ，Ｇｅ，Ｏｌ２），形状一般为长方体，如图１所示，电极通常采用平板电极。晶体
还可以采用多边形或圆形，相应的电极也可采用圆弧型。用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对３种不同形状的晶体分别在平板电极和圆弧电极中的电场分布进行模拟计算。模拟条件为：矩形晶体５ｘ５ｘ１０，圆柱形晶
用偏振干涉法进行间接测量。在晶体的两端分别加
收稿日期：２００２－１２－２２；修回日期二２００３－０２－０６
起偏器和检偏器，使起偏器与检偏器的偏振轴互相
刁
万方数据
２００３年６月
高压电器
第３９卷第３期
＂１７
垂直，且起偏器与晶体内光的偏振方向成二／４角，此